Сменные батареи для Электромобилей

При всех своих достоинствах у электротранспорта есть и свои недостатки. Причин такого положения вещей несколько. Давайте посмотрим на некоторые из них:

1. Эти типы транспортных средств стоят больше, чем автомобили с бензиновым двигателем, в течение их срока службы;
2. Существует риск того, что редкоземельные элементы станут еще менее доступными и более дорогими;
3. Ожидание долгой зарядки аккумуляторов EV иногда неудобно;
4. Водители беспокоятся о запасе хода и зарядке;
5. CO2 выделяется при сжигании природного газа или угля для производства электроэнергии, добыче редкоземельных элементов и производстве АКБ.

Но стандартизированная сменная батарея может помочь решить все эти неудобства. В настоящее время в мире существует несколько механических и электрических стандартов, определяющих батареи. Это позволяет питать несколько продуктов.

Теоретически можно было бы создать стандартизированный автомобильный аккумулятор, который, вероятно, будет похож на аккумулятор от Tesla, но будет использоваться многими автопроизводителями. Стандарт будет определять механику (например, высоту, длину и ширину), электрические соединения и связь между аккумулятором и транспортным средством.

В настоящее время в электромобили встроены специальные блоки, которые периодически заряжаются. Альтернативой может быть стандартный сменный аккумулятор. То есть все автомобили будут поддерживать одну и ту же форму, и ее можно будет заменить на новую менее чем за минуту. Владельцы автомобилей будут платить лишь за использованную электроэнергию и использование аккумуляторов электромобилей. Эти элементы не должны были бы быть такими дорогими благодаря применению более дешевых батарей. Площадка для их замены располагалась бы в земле. Машина будет парковаться над ними, и механизм будет выполнять всю операцию. Кроме того, система зарядки также будет расположена под поверхностью.

Те, кто проезжает менее 100 км в день, могут установить недорогую маломощную батарею и заряжать ее на ночь в собственном доме. Снижение затрат будет связано с тем, что в таких устройствах не используется столько редкоземельных элементов (например, литий-железо-фосфатная батарея мощностью 20 кВтч стоит меньше, чем никель-марганцево-кобальтовая батарея аналогичного размера мощностью 60 кВтч). А в дальних поездках более дорогую АКБ дальнего действия можно заменять чаще, чем ее более дешевые аналоги.

Подобные механизмы можно будет установить и в домах. В гаражах будут установлены специальные камеры. Они будут содержать сменные элементы, которые можно использовать в автомобилях. В течение дня эти устройства будут заряжаться от солнечной энергии для питания дома ночью, а при необходимости их можно будет убрать в машину, как показано ниже на рисунке.

Недостатки сменных элементов

Замена использованных элементов питания новыми звучит великолепно. Однако у этой технологии есть несколько недостатков:

• От производителей автомобилей потребуются усилия, чтобы спроектировать свои автомобили на основе стандартной сменной батареи. Будет необходимо строительство новых заводов по производству этого вида транспорта;
• Пришлось бы установить множество подземных камер для обработки клеток, что повлечет за собой огромные затраты;
• Автопроизводители могут неохотно участвовать в создании новых автомобилей данного типа, когда будет небольшое количество станций с их поддержкой. И компании-заменители могут не захотеть строить такие установки, если в дороге не будет большого количества машин со сменными батареями.

Чтобы двигать технологию, механизмы смены ячеек могут быть первоначально размещены в автосалонах. Водители приезжали бы туда перед дальней поездкой, чтобы установить дорогую, быстрозаряжаемую батарею дальнего действия. В обычной эксплуатации они станут ездить на дешевых медленно заряжающихся батареях с не такой широкой зоной покрытия, которые питаются дома.

На следующем этапе правительство или фонды потратят десятки миллионов на разработку и создание прототипа стандартизированной системы сменных батарей, чтобы лучше понять техническую и экономическую осуществимость. Этот этап предполагает относительно небольшие затраты по сравнению с дальнейшими действиями.

Электромобили обычно обеспечивают радиус действия 400 километров и быструю зарядку батареи за 30 минут. Но если требования к запасу хода уменьшить вдвое, а скорость зарядки увеличить в 4 раза (например, минимальное время зарядки до 2 часов), финансовое бремя на батареи может возрасти более чем в 4 раза.

Традиционная батарея с запасом хода 400 км использует NMC. Альтернативные ячейки LFP доступны примерно в 3 раза дешевле из-за более низкой (на 30%) стоимости киловатт-часа и удвоенного количества циклов.

• Недостатком LFP является то, что он обеспечивает меньшую дальность при том же объеме и весе (например, LFP предлагают около 200 км вместо 400 км);
• Более медленная зарядка выделяет меньше тепла, что снижает стоимость схем терморегулирования аккумуляторов;
• Не столь быстрое питание хорошо сказывается на времени автономной работы, что снижает его затраты;
• Медленная зарядка не требует такого дорогого оборудования. Например, импульсные AC/DC преобразователи, восполняющие ресурс ячейки в течение 8 часов, стоят примерно в 6 раз меньше чем устройства, заряжающие батарею в течение 60 минут;
• Более длительная зарядка не требует столько услуг от энергокомпании (например, за поставку 40 кВт заплатим меньше, чем за подключение на 160 кВт линию).

Далее рассмотрим, как эти более дешевые сменные элементы должны помочь решить проблемы с электромобилями, описанные ранее.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) сообщает, что автомобили внутреннего сгорания сегодня тратят 0,30 доллара за милю, а стоимость вождения электромобиля с запасом хода 450 км составляет 0,47 доллара за милю. Сюда входит первоначальная стоимость автомобиля, бензин/электричество и замена аккумулятора электромобиля. Срок службы последнего оценивается в 150 000 км и 8 лет, а применительно к автомобилю внутреннего сгорания в среднем в 2 раза дольше. Это означает что владелец, скорее всего купит один сменный аккумулятор за весь срок службы своего авто, а они очень дороги.

Но в большинстве отчетов указывается, что сами электромобили дешевле чем автомобили с ДВС. Однако, как правило, документы основаны на исследованиях не учитывающих стоимость замены аккумулятора. Аналитики и экономисты EIA и NREL часто забывают об объективности, что снижает точность их прогнозов.

Сменные аккумуляторы снижают стоимость электромобилей следующим образом:

• Большинство автомобилей проезжают менее 70 км в день. Это означает что пользователи могут использовать недорогие батареи с малым радиусом действия (например до 150 км) в течение многих дней и заряжать их дома ночью. А в дальних поездках могли использовать более дорогие агрегаты с большей площадью обслуживания или чаще их заменять;
• В настоящее время владельцы электромобилей обычно могут заменить батареи, когда их емкость падает на 20-35%. Но сменные батареи прослужат дольше, поскольку они могут предлагаться в качестве вариантов с меньшей емкостью по мере их старения. Водители не заметят разницы между новым агрегатом на 150 кВтч и старым на 300 кВтч, полезная мощность которого уменьшилась на 50%. Обе ячейки будут отмечены в системе как 150 кВтч. Батареи же стоят вдвое больше, когда они работают в 2 раза дольше.

Когда смотрим на станцию быстрой зарядки — какой процент времени она используется? Во многих случаях очень мало. Это связано с неудобством пополнения ресурсов, большими затратами, легкой зарядкой дома и нехваткой электромобилей на дорогах. Низкое использование часто приводит к тому, что расходы на такие платформы превышают доходы от них. В этом случае станции такого типа могут быть пустой тратой денег, сэкономленными государственными субсидиями или капитальными затратами; однако эти средства правовой защиты не являются постоянными. Затраты на данные платформы высоки из-за высокой стоимости оборудования для быстрой зарядки и расходов на подключение энергии. Например, для зарядки аккумулятора емкостью 50 кВт·ч за 20 минут требуется мощность сети 150 кВт.

По этой причине многие станции быстрой зарядки не имеют доступа к значительной мощности сети. В результате они не могут быстро заряжать несколько транспортных средств одновременно, несмотря на наличие соответствующего количества зарядных устройств. Это означает каскад событий: более медленное восполнение, более низкая удовлетворенность клиентов и использование станции, более высокая стоимость на человека, снижение прибыли и, в конечном итоге, ограниченное количество заинтересованных сторон, желающих владеть такой платформой.

Город с большим количеством электромобилей и в основном с уличной парковкой имеет больше шансов на экономичную зарядку. В качестве альтернативы, станции быстрой зарядки в сельской местности или пригородах часто рискуют стать низкодоходными инвестициями.

Съемные аккумуляторы снижают риск, связанный с низкой рентабельностью станций быстрой зарядки, по следующим причинам:

1. Аккумуляторы в подземных камерах могут перезаряжаться медленнее, что снижает требуемую мощность обслуживания и затраты на оборудование;
2. Батареи в камерах могут брать энергию ночью или когда возобновляемые источники насыщены и производят много ресурсов, а электроэнергия из сети дешевле.
3. Риск того, что редкоземельные материалы станут менее доступными и более дорогими.

В 2021 году во всем мире было произведено около 7 миллионов электромобилей. Если бы производство увеличилось в 12 раз и продолжалось 18 лет, электромобили могли бы заменить 1,5 миллиарда машин. Однако в электромобилях обычно используется редкий литий, кобальт и никель, и неясно, что произойдет с ценой на эти материалы, если потребление резко возрастет.

Стоимость аккумуляторов для электромобилей обычно снижается с каждым годом. Правда в 2022 году этого не произошло из-за нехватки материалов. К сожалению, редкоземельные металлы могут стать менее доступными, что приведет к повышению цен на аккумуляторы.

Сменные батареи снижают зависимость от редкоземельных металлов, поскольку они могут легче работать с технологиями более низкого уровня, в которых не используется столько материала данного типа (например в LFP не нужен кобальт).

Ожидание зарядки иногда становится проблемой.

Сменные аккумуляторы сокращают время стоянки электромобиля на зарядной станции. Замена аккумуляторной батареи намного быстрее, чем их перезарядка. Для удовлетворения потребностей современных водителей в идеале операция должна занимать примерно столько же времени, сколько заправка автомобиля с двигателем внутреннего сгорания топливом.

Водители беспокоятся о запасе хода и зарядке.

Эта проблема находится на границе технических и социальных вопросов. Если в системе много станций обмена аккумуляторов и аккумуляторов, такая операция будет несложной.

CO2 выделяется при добыче редкоземельных металлов и производстве аккумуляторов.

Сменные аккумуляторы сокращают выбросы CO2 в производственном процессе, поскольку можно работать с меньшими по размеру устройствами, в которых не используется столько редкоземельных элементов. Это, очевидно, снижает потребность в материалах, выделяющих углекислый газ при экстракции.

В мире насчитывается около 1,5 миллиарда автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Если бы их заменили электрическими по цене 20 000 долларов каждый, общий объем инвестиций составил бы 30 триллионов долларов. Если бы это уменьшилось на 10% за счет, например, сотен миллиардов долларов, потраченных на дополнительные исследования и разработку технологий, то затраты были бы оправданы. Нужно думать о транспорте как о проблеме на 30 триллионов долларов и действовать соответственно. Но как снизить стоимость сменных аккумуляторов для электромобилей? Можем начать с проверки и разработки машин, которые автоматизируют установку подземной инфраструктуры. Выше приведен пример.

Подведем итоги

Чтобы ускорить разработку сменных батарей, правительства или частные фонды должны сосредоточить внимание на финансировании следующих стандартизированных систем:

1. Механический и электрический стандарт для сменных батарей для электромобилей;
2. Система связи между батареями и зарядной платформой;
3. Система связи между автомобилем и станцией обмена аккумуляторов;
4. Система связи между электросетью и панелью дисплея автомобиля;
5. Интерфейс для смартфона и платежной системы;
6. Механизмы замены, зарядки и хранения ячеек разного размера.

Разработка комплексного решения вплоть до реальных прототипов для тестирования в дорожных условиях может стоить десятки миллионов долларов, а развертывание по всему миру — многие миллиарды. Но есть много признаков того, что это инвестиции, которые в значительной степени будут способствовать увеличению использования электромобилей и, как следствие, снижению вредных выбросов транспорта в городах.