1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Научный дайджест №12: об электромобилях, аккумуляторах и нейроморфных перспективах

Содержание

Научный дайджест №12: об электромобилях, аккумуляторах и нейроморфных перспективах

Анонс: Так ли безвредны для экологии электромобили, как улучшить Li-Ion батареи, и что может стать первым «кирпичиком» нейроморфных компьютеров?

Так ли безвредны для экологии электромобили?

Несмотря на огромный вред окружающей среде от традиционного дорожного транспорта, полностью отказаться от него в ближайшей перспективе вряд ли представляется возможным. Единственный выход в разработке новых видов транспорта, которые бы отличались большей дружелюбностью к экологии. Одним из таких перспективных направлений считаются электромобили (EV, electric vehicles). Ведь они, казалось бы, лишены вредных выхлопов, обладают высокой экологичностью, так как не используют нефтяное топливо, антифризы, моторные масла, фильтры для этих жидкостей и т.д.

Многие страны, включая членов Евросоюза и США, разрабатывают инициативы, планы и стратегии с целью развития электромобилей. Одна из наиболее амбициозных целей предложена консорциумом Международного энергетического агентства (International Energy Agency) и восемью странами (Китай, Франция, Германия, Япония, Южная Африка, Испания, Швеция и США). Состоит она в том, чтобы к 2020 году довести объём выпуска полностью электрических и гибридных электромобилей до двадцати миллионов. При этом массово поставляемые электромобили и гибриды первой волны, такие как Citroen C-Zero , Nissan Leaf, Renault Kangoo ZE, GM Volt, Ford Electric Focus, уже сегодня доступны на рынке.

Из-за того, что электротранспорт имеет нулевой уровень выхлопов, принято считать, что этот вид транспорта является «зелёным» и безвредным. Но исследования ученых показывают, что не всё здесь так гладко. Реальное положение дел гораздо сложнее, ведь необходимо учесть также и большое количество побочных влияний на протяжении всего жизненного цикла такого транспорта. Перед принятием серьёзных инвестиционных решений в пользу новых видов транспорта следует тщательно сравнить развивающиеся технологии с их традиционными конкурентами.

Исследование Environmental impacts of hybrid and electric vehicles (DOI: 10.1007/s11367-012-0440-9), опубликованное в семнадцатом выпуске журнала International Journal of Life Cycle Assessment, показывает, что при оценке вреда транспорта для экологии одно из важнейших значений имеет анализ цикла производства. Например, для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV, internal combustion engine vehicles) вклад производства в глобальное потепление составляет около 10%. То есть необходимо комплексно подходить к проблеме оценки. В частности, производство электронного оборудования требует использования различных (не всегда «зелёных») материалов, которые ставят не первый план вопрос утилизации отходов и заставляют задуматься о риске повышения токсичности окружающей среды.

Лишь небольшое количество исследований детально рассматривает производство электромобилей, но и в них учитываются далеко не все аспекты. Ученые из Норвежского университета науки и технологий (Norwegian University of Science and Technology) в своей недавней работе Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles (DOI: 10.1111/j.1530-9290.2012.00532.x), опубликованной в последнем выпуске журнала Journal of Industrial Ecology, попытались провести основательный сравнительный анализ влияния на экологию электромобилей и традиционных автомобилей в течение всего жизненного цикла. Результаты оформлены в виде набора из десяти релевантных категорий. Нормализированные метрики включают влияние на глобальное потепление (GWP), подкисление земли (TAP), формирование твердых частиц (PMFP), формирование фотохимических оксидантов (POFP), токсичность для человека (HTP), экотоксичность пресной воды (FETP), земную экотоксичность (TETP), эвтрофикацию пресной воды (FEP), истощение минеральных запасов (MDP), истощение источников полезных ископаемых (FDP). Величины этих метрик в виде гистограмм изображены на рисунке ниже.

Как показывают результаты, отрасль электротранспорта в целом может оказаться более вредной по сравнению с традиционной автомобильной промышленностью. Здесь всё зависит от многих факторов, в том числе, способа добычи электричества. В странах с развитой альтернативной энергетикой негативное влияние электромобилей на окружающую среду будет меньшим. Если же электричество добывается из угля, то активное развитие электротранспорта может нанести ощутимый вред экологии. Также стоит обратить внимание и на цепочку поставок комплектующих. Производство мощных аккумуляторов совсем не безвредно. В общем, ученые в своём исследовании дают понять, что с оценкой экологичности новых видов транспорта всё очень непросто и подход здесь нужен основательный.

Новые алгоритмы улучшат аккумуляторы

Раз уж мы коснулись темы электромобилей, логичным видится включение в данный выпуск новости о разработке учеными из Калифорнийского университета (University of California) передовых оценочных алгоритмов для систем управления аккумуляторами (BMS, battery management systems), которые позволят литиево-ионным источникам питания работать эффективнее, снизят их себестоимость, а также ускорят зарядку таких батарей.

В настоящее время для мониторинга характеристик аккумулятора и его работоспособности производители обычно используют данные о величинах напряжения и тока. Как отмечает профессор Мирослав Крстик (Miroslav Krstic), такой метод даёт очень грубый и неточный результат. Вследствие этого, из соображений безопасности разработчики создают батареи более крупных, чем надо, габаритов и веса, что увеличивает их стоимость. Кроме того, их время зарядки слишком большое, так как с целью перестраховки аккумуляторы настроены на работу в щадящем режиме. А это ограничивает, главным образом, отрасль электромобилей.

Компания Toshiba, например, недавно заявила о своих планах отказаться от серийного выпуска своего электромобиля второго поколения eQ, ссылаясь на слишком длительную зарядку батарей, которая, по мнению производителя, не позволит ему завоевать массовую популярность.

Классические литий-ионные батареи состоят из трёх листов, скрученных вместе. Один из крайних слоёв выступает анодом, средний играет роль сепаратора, и последний является катодом. Когда аккумулятор полностью заряжен, ионы лития сохраняются на аноде. При подключении приёмника питания, ионы перемещаются от анода к катоду. Для того, чтобы батарея правильно функционировала, важно знать, как именно ионы распределяются на аноде. Но это очень тяжело измерить, даже с использованием сложного дорогостоящего оборудования.

Рис. 2. Структура литиево-ионного элемента

Ученые разработали алгоритмы, позволяющие оценивать процессы в батарее на электрохимическом уровне. С помощью предложенной математической модели можно также оценить изменение «состояния здоровья» аккумулятора с течением времени. Исследователи надеются сформулировать стратегию зарядки и использования батарей для полного раскрытия их потенциала, обеспечивающую при этом безопасность эксплуатации.

Для развития проекта Агентство передовых исследований в области энергетики ARPA-E выделило грант в размере $9,6 млн, который разделят между собой Калифорнийский университет, а также участвующие в разработке компании Bosch и Cobasys. Эти деньги пойдут на проведение тестирований алгоритмов на реальных аккумуляторах, включая оценку распределения заряда в батарее, её состояния, а также разработку оптимальных стратегий зарядки и разрядки. По предварительным данным, внедрение новых алгоритмов позволит снизить себестоимость литий-ионных аккумуляторов на 25%, а также позволит вдвое сократить время зарядки.

Аппаратная основа нейроморфных компьютеров

Напоследок расскажем об интригующем исследовании группы ученых из Университета Париж-Юг (Universite Paris-Sud), Университета д’Еври-Валь д‘Ессона (Universite d’Evry-Val d’Essonne), Кембриджского университета, Национального института передовой промышленной науки и технологий Японии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST). В публикации A ferroelectric memristor (DOI: 10.1038/nmat3415), опубликованной в последнем выпуске журнала Nature Materials, делается предположение о возможности использования ферроэлектрических мемристоров (мемристор — микроэлектронный элемент, изменяющий своё сопротивление в зависимости от протекающего через него заряда) в качестве аппаратной основы для создания компьютеров, работающих наподобие человеческого мозга. Созданный учеными прибор отличается от других известных мемристоров высокой скоростью переключения (10 нс) и широким диапазоном изменения сопротивления (на два порядка).

В туннельных переходах с сегнетоэлектрическим барьером переключение поляризации ферроэлектрика вызывает изменение туннельного сопротивления. При этом разница сопротивления между состояниями «Включено» (ON) и «Выключено» (OFF) составляет несколько порядков, что называется эффектом гигантского туннельного электрического сопротивления. По аналогии с функционированием ферроэлектрической памяти (FeRAM), большой коэффициент «OFF/ON» в ферроэлектрических туннельных переходах (FTJ, ferroelectric tunnel junction) ранее рассматривался только как возможность для реализации бинарного хранилища данных. Важным параметром, до сих пор не используемым в FTJ, является его доменная структура. В ферроэлектриках размер домена может составлять всего несколько нанометров. Это обеспечивает очень точное управление пропорцией доменов, направленных вверх и вниз, и свойствами FTJ с использованием переключаемой поляризации.

В своей работе ученые показывают, что конфигурация доменов ферроэлектрического туннельного барьера может контролируемо использоваться для получения практически непрерывного спектра уровней сопротивления между выключенным и включенным состояниями. Исследователи проанализировали процессы переключения с выключенного состояния во включенное, и наоборот, а также разработали их модели в терминах зарождения и распространения доменов. По утверждению авторов, FTJ выступает как новый класс мемристивных систем, для которых уравнения состояний можно выводить из моделей динамики поляризации.

На первом этапе исследования построен график зависимости сопротивления туннельного перехода от амплитуды подаваемых импульсов напряжения (рис 3). Как видно из большой петли гистерезиса, соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состоянии составляет около 300. Меньшие петли показывают, что сопротивление можно точно настроить на одно из множества значений между RON и ROFF.

Рис. 3. Влияние на FTJ изменением амплитуды импульсов

Далее показано, что при включенном состоянии рост амплитуды подаваемых положительных импульсов порождает новые домены с направленной вниз поляризацией вплоть до состояния насыщения (близкое к выключенному состоянию). Прикладывание отрицательных импульсов со всё большей амплитудой приводит к порождению направленных вверх доменов.

Кроме того, сопротивление туннельного перехода зависит не только от амплитуды импульсов, но также и от их продолжительности и количества повторов. Эта зависимость показана на рисунке 4.

Рис. 4. Влияние на FTJ длительностью импульсов

Результаты, зафиксированные на рисунке 5, показывают, что уровень сопротивления FTJ может устанавливаться не только импульсом соответствующей амплитуды, но и также определённой последовательностью импульсов фиксированной величины. Как утверждается, именно эта особенность позволяет говорить о возможности интеграции FTJ в нейроморфные вычислительные архитектуры. FTJ рассматривается в таком случае как база для создания искусственных синапсов.

Рис. 5. Влияние на FTJ последовательностью одинаковых импульсов

Важным достижением исследователей также является построение модели переключения сопротивлений FTJ на основе физических моделей с такими параметрами как напряжение, время, объёмная доля направленных доменов.

Ясное дело, что о каких-либо коммерческих реализациях говорить пока рано. Но тема сама по себе интересная. Отметим, пару месяцев назад в Сети появились сообщения о разработке компанией Intel нейроморфного дизайна процессоров. А промышленные гиганты такого уровня умеют разглядеть перспективность даже тех технологий, внедрение которых возможно только в очень далёком будущем.

Почему у электромобилей нет будущего

Все мы привыкли, а точнее нас приучили, к мысли о том, что электромобили и вообще все электрическое существенно безопаснее для окружающей среды, чем ставшие уже традиционными углеводородные источники энергии. С одной стороны, да. Электродвигатель не коптит, не шумит, не загрязняет и не перегревает атмосферу, но не все так хорошо, как может показаться на первый взгляд. Даже если вы будете ездить на Tesla, дом отапливать за счет энергии земли, а электричество будет вырабатываться при помощи солнечных батарей, все равно вы не сможете оставить детям чистую планету. Не надо строить иллюзий.

Не грусти, Илон! Tesla все равно крутая.

Мы много раз писали об электромобилях и еще много раз напишем о них. Они действительно представляют большой интерес для пользователей. ”Заправка” стоит в разы, а то и десятки раз, дешевле, динамика выше, КПД выше, расходы на эксплуатацию ниже, даже правительства многих стран (в том числе, и России) поддерживают покупку и владение электромобилей различными льготами. К таким льготам можно отнести, например, и снижение налога на электромобили, и бесплатный проезд по магистралям в Норвегии, и бесплатные парковки в России.

Читать еще:  У Summer Game Fest 2020 появилось расписание, первый анонс состоится 12 мая

Минусы электромобилей

Первый минус электромобилей вытекает из их плюсов. Так как топливо не сжигается, а ”рогов”, как у троллейбуса, на крыше нет, надо как-то возить с собой запас энергии. Для этого в нижней части автомобиля устанавливаются огромные батареи. Побочным эффектом такого решения является более низкий центр тяжести и более жесткая конструкция кузова, что исключительно положительно сказывается на управляемости и безопасности.

Но, не стоит забывать, что батарея ”это не только ценный мех”, но и вредное химическое производство. Кроме того, что при производстве в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ, надо еще добыть компоненты для производства, включая редкоземельные металлы. Это тоже очень негативно влияет на экологию. Напомню, добыча редкоземельных металлов является одной из самых грязных добывающих отраслей.

Думаете электроника не влияет на здоровье человека? Еще как влиет! Вот доказательство.

А теперь представьте, сколько у вас устройств с аккумулятором. Смартфон, планшет, ноутбук, часы, пара ”батареек” дома и все. Для упрощения скажем, что это около килограмма батарей, возможно, полтора, но не больше. Столько аккумуляторов сейчас использует человек. А теперь накинем еще минимум по 300 килограмм батарей на каждого человека, у которого есть машина. Получится увеличение потребления в сотни раз. При этом, не стоит говорить о том, что не у всех есть машина. Они возьмут на себя батареи, которые будут устанавливаться в автобусы, такси, каршеринговые автомобили и другие транспортные средства. В итоге, получим примерно равное распределение.

Уже сейчас многие серьезно задумываются об утилизации батарей, ведь даже батарея смартфона несет непоправимый вред окружающей среде, а одна пальчиковая батарейка загрязняет до 20 квадратных метров земли. Что уж говорить о батарее автомобиля или автобуса, которая будет весить сотни килограмм. Для примера, батарея Tesla Model S весит 540 кг и имеет габариты 210х150х15 см.

Как таковой эффективной процедуры переработки батарей, если это не свинцовые образцы, нет. При переработке свинцовых батарей эффективность процесса очень высокая и теряется не более 10 процентов исходного продукта. В ход идет все, включая пластик, свинец и кислоты, но сама переработка не очень экономична, так как требует большого количества воды и энергии на поддержание работы целого предприятия с плавильными печами и прочим требовательным оборудованием.

Переработка батарей не выглядит очень экологично. Птички не поют, цветочки не цветут.

Элементы батарей электромобилей и портативной техники поддаются переработке существенно хуже и полезный выход не такой высокий. Кроме этого, также используется большое количество воды, которая пусть и после фильтрации, но сливается в канализацию, и энергии на поддержание работы предприятия.

Выходит, электромобиль экологичен только на этапе эксплуатации? Получается так. Конечно, при производстве автомобиля с двигателем внутреннего сгорания тоже есть вредные производства, но химии в этом процессе существенно меньше. Да и переплавить его потом намного проще.

Кроме этого, не стоит забывать, что электричество в розетках тоже не размножается почкованием. Его надо добыть и доставить до потребителя. При увеличении потребления до уровня ”электромобиль в каждый дом” придется строить не одну новую линию электропередач, которая загрязняет природу электромагнитным излучением. Есть еще минусы в нагрузке на сети городов, когда десятки тысяч автомобилей будут в 19:00 вставать на зарядку. В этом, правда, могут помочь технологии накопления, вроде супермаховиков или тех же батарей, которые надо перерабатывать.

Минусы атомной энергетики

Для производства энергии, рост потребности в которой уже превысил темпы роста населения планеты, можно использовать различные способы. Например, атомная энергетика, которую многие просто боготворят.

Атомные станции часто изображают такими «зелеными». Намекают, что они безопасны.

С одной стороны, получение такой энергии кажется очень выгодным, так как вещества, которые нужны для этого, относительно недорогие и очень энергоэффективные. Только не стоит забывать, что на добычу надо потратить большие средства, а на утилизацию радиоактивных отходов еще большие. Все это приводит к тому, что энергия тоже не становится бесплатной. Кроме этого, сама станция, оборудование, специалисты и системы безопасности стоят тоже немало.

Зато запасы топлива для атомных станций при нынешней эффективности их работы можно считать неисчерпаемыми. Проблема только в том, что опыт Чернобыля и Фукусимы показывает, как опасен мирный атом. Конечно, там было допущено много ошибок, но вылезли они только в момент аварии. Возможно, где-то есть еще более серьезные недочеты, но пока о них никто не знает.

Не пропускайте ничего интересного из мира высоких технологий. Просто подпишитесь на наш новостной канал в Telegram

Опасности гидроэлектростанций

Самым недорогим способом получения электроэнергии являются гидроэлектростанции. Это суждение вполне справедливо. В сравнении с атомными электростанциями их эксплуатация обходится в 5-6 раз дешевле, а окупаемость в 3-4 раза выше. Казалось бы, проблема решена, но не все так просто.

По оценкам экспертов, гидроэнергия сможет покрыть только 20 процентов потребности человечества даже на текущем этапе его развития. С ростом потребления ситуация станет только хуже. Правда пока эффективность использования этого метода не превышает 50 процентов. В России этот показатель находится на уровне 30-40 процентов.

Так можно выработать много энергии, но вред окружающей среде будет очень большим.

Если на горных реках еще можно устанавливать такие станции относительно без вреда для экологии, то при размещении ГЭС на равнинных реках, происходит затопление плодородных земель, нарушение нереста рыбы, изменения популяции других речных обитателей и увеличение количества сине-зеленых водорослей, которые оказывают очень плохое воздействие на качество воды.

Также, в случае с реками, которые текут через несколько стран, надо будет как-то решать вопрос с соседями, которые едва ли будут рады ухудшению рыбного промысла и уменьшению количества воды, протекающей через их территорию. В ООН есть даже определённые ограничения на подобную деятельность.

Минусы солнечной энергетики

В случае с солнечной энергией мы опять сталкиваемся с необходимостью вредного производства. Кроме того, что сами батареи уже требуют больших производственных мощностей, мы опять сталкиваемся с необходимостью накопления энергии.

Кроме этого, производство солнечных панелей пока достаточно дорогое. Эффективность, в свою очередь, хоть и выросла в последнее время, все равно недостаточна для полноценной замены других источников энергии. Именно поэтому полностью перейти на потребление возможно только в случае с небольшими домохозяйствами в солнечных регионах. В остальных случаях это только дополнение.

Альтернативные способы получения энергии

Кроме получения энергии из приведенных выше способов и сжигания природного топлива, на котором не стоит подробно останавливаться, есть и другие способы получения электричества и тепла. Примером могут служить приливные электростанции и всем известные ветряки. Вот только стоят они тоже дорого. Например, ветряная электростанция имеет достаточно высокую эффективность, но стоит от 300 000 евро без установки, а устанавливать их надо много. Помимо этого она требует дорогостоящего обслуживания.

ГеоТЭС может превратить Землю в неисчерпаемый источник энергии.

В этом смысле очень привлекательно выглядят станции, работающие на тепле нашей планеты. Упрощенно их конструкция представляет из себя трубу, углубленную на сотни метров под землю. В глубоких слоях, преимущественно на источниках, вода или вещество в трубе нагревается и поступает наверх. Полученное тепло можно использовать как для генераторов, так и для отопления. Выглядит просто, заманчиво и недорого. Единственным минусом будет не очень большая эффективность и ограниченный срок службы из-за большого количества солей и минералов, которые портят трубы и оборудование.

Можно ли полностью перейти на электричество?

Уже несколько десятков лет ученые бьются над проблемой перехода от ископаемых невозобновляемых источников энергии к возобновляемым. Мешает им на этом пути несовершенство технологий. Даже на нынешнем уровне потребления полностью отказаться от угля и нефти не получается. Что уж говорить о появлении электромобилей, которые потребуют существенно большего количества энергии.

Получается, не все так радужно в этом направлении? Еще одним минусом, кстати, будет то, что при появлении большого количества автомобилей с электрическими двигателями, скорее всего, увеличится и стоимость энергии. Она превратится в то, чем сейчас является нефть. Скачки стоимости электричества будут влиять на экономику целых стран, а монополисты будут диктовать свои условия. Так что не все так радужно в полном переходе на электричество. Есть у этого процесса как плюсы, так и минусы.

Электромобили и теории заговора — это прям закадычные друзья. Куда ни взгляни — везде, где критикуют электромотор, можно прочесть просто тонну сообщений, что Тесла и другие электромобили — это супергерои автомобильного рынка, которые борются с невидимой тёмной рукой. Даже наши прошлые статьи столкнулись с некой долей негатива по этому поводу. Но это хорошо, лично мне […]

Каждый раз после успешного испытания новой ракеты (или неудачного запуска, такое тоже бывает) SpaceX мы часто видим сообщения о том, что это произошло на новом строящемся космодроме компании в Бока-Чика, штат Техас. Что это за место? Это небольшая деревня с несколькими десятками жителей, расположенная в живописном месте на берегу Мексиканского залива, рядом с мексиканской границей. […]

Пока продажи мировых автоконцернов падают вместе с ценами на нефть, а экономика оставляет желать лучшего, возможно, настал звёздный час электромобилей, и они положат на лопатки ДВС. Непростые времена благоволят стратегическим маневрам, и хоть на данном этапе отношение к электромобилям спорное, предлагаю разобраться, где в РФ «обитает» больше всего электромобилей, какой они марки, и что представляет […]

Перспективы электромобилей: утопия или прогресс


В последние годы практически все мировые производители автомобилей, в буквальном смысле, «кинулись в омут электрификации». А ведь с электромобилем далеко не всё так просто, как кажется на первый взгляд

Мало того, по мнению многочисленных экспертов, за электромобилями будущее. То есть, в ближайшие годы на дорогах начнёт появляться всё больше и больше машин с нулевыми выбросами вредных веществ, которые, согласно предсказаниям и прогнозам, должны в итоге полностью вытеснить автомобили с ДВС.

Однако есть и «другая сторона этой медали». Давайте попытаемся разобраться и понять, электромобили – это утопия или же наоборот прогресс. Мы конечно не против такого вида транспортных средств. Но, в настоящее время идея глобальной электрификации автомобильной индустрии, по меньшей мере, выглядит не такой уж и радужной.

Например. Задайте себе вопрос, почему французская компания Renault прекратила выпуск электромобиля Fluence Z.E. Главная причина – недостаточно высокий потребительский спрос на машину с электрической силовой установкой. Мало того, немного разобравшись в ситуации, мы нашли, как минимум, ещё несколько причин, из-за которых электромобили в ближайшем времени не станут ни популярными, ни прибыльными.

Прежде чем конкретизировать, отметим, что даже американцы, которые и стали первооткрывателями массового внедрения электрокаров, постепенно начали терять интерес к подобным машинам. Это взято «не с неба». Так, Министерство энергетики Соединённых Штатов Америки считает, что к 2040 году электромобилей в стране будет не более 1% автомобильного рынка. Ранее этот прогноз был значительно «радужнее».

Экология – это вовсе не проблема автомобилестроительной отрасли

Не секрет, что с каждым годом человечество, в прямом смысле этого слова, кошмарят различными картинками, главным героем которых является смог над индустриально развитыми мегаполисами. При этом отмечается, что такая ситуация складывается из-за огромного автопарка. Да, в этом есть часть истины, но, только часть.

Многочисленные профильные специалисты отмечают, что виной тому, далеко не в последнюю очередь, промышленные предприятия. В свою очередь, жёсткая экологическая политика в этой области может привести к тому, что в государствах начнётся падение ВВП со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Читать еще:  Массовое производство чипсетов AMD B550 и A520 начнётся в этом квартале

То есть, если от «экологических воин» начнутся «социальные и голодающие бунты», согласитесь, на саму экологию всем будет откровенно «наплевать». Проще говоря, нас просто переключают от одной проблемы на другую, «спуская всех собак» именно на автомобилестроение.

А если столько электричества у человечества

Глобальная электрификация автомобилестроительной индустрии заставляет задуматься и над таким вопросом, как «а есть ли у нас столько электричества». Пожалуй, что в настоящее время более эффективным способом получения электричества является атомная энергетика. Но, давайте вспомним о Чернобыле и Фукусиме.

При этом адепты тотальной автомобильной электрификации утверждают, что большинство людей планеты дышат выхлопными газами, которые выбрасывают машины с двигателя внутреннего сгорания, что приводит к получению легочных заболеваний, отравлений и так далее.

Так если в настоящее время человечество не нашло идеального способа выработки огромного количества энергии, пусть лучше остаётся всё как есть?! Ведь согласитесь, обычные гидроэлектростанции можно строить далеко не везде, да и с экологической составляющей тут есть масса вопросов. Да и сколько их тогда нужно построить, чтобы хватало на все наши потребности!?

Есть ещё «прогрессивные» солнечные батареи и ветряки, но они, как известно не окупаются. Помимо всего прочего, здесь также возникает проблема утилизации отработавших свое конструкций. Так, по данным мировых СМИ, вопрос утилизации подобных источников энергии стоит не менее остро, чем утилизация отработанного ядерного топлива.

Действующие же электростанции, источником получения электрической энергии которых является жидкое или твёрдое топливо, опять же негативно влияют на экологию, да и не столь эффективны. Конечно, сделаем ещё одну поправку, мы умалчиваем о том вреде, который приносит нашей планете добыча и использования более привычных всем видов топлива для автомобилестроения.

Нет инфраструктуры

Отсутствие инфраструктуры для использования электрифицированных транспортных средств – это ещё один «плюс в корзину» подобного транспорта. Да что там говорить, из-за этого и нет надлежащих объёмов продаж существующих электрокаров. Ну, скажите, зачем человеку покупать машину, которую негде заряжать?!

Мало того, встаёт и другой вопрос: время, которое необходимо для зарядки батарей электрокаров. Да, мировые производители активно работают над этим вопросом, но пока не всё так хорошо, как этого бы хотелось. Если коротко конкретизировать, то в настоящий момент инфраструктуры под использования электрокаров в глобальных масштабах просто нет. Но, опять же, сделаем поправку на то, что в будущем эта ситуация может и должна измениться.

Окупаемость и цена

Пожалуй, что начнём со второго и третьего. Как ни стараются мировые производители, пока цена электромобиля достаточно высока. Это, в свою очередь, а также плохо развитая инфраструктура, приводит к тому, что быстро окупиться электромобиль не может. Как подсчитали ранее британские аналитики, даже самый доступный электромобиль при всех своих плюсах способен окупить вложения, в лучшем случае, через пять лет. При этом машины с ДВС окупаются через три.

Надёжность

Представьте себе, что компания продаёт вам новый автомобиль, которого способен пробежать без достаточно серьезного вмешательства порядка 120 тысяч километров?! Согласно исследованиям, главный движущий элемент электромобиля – аккумулятор – склонен к быстрому старению. И это, в первую очередь, опять же связано с технологическими проблемами.

Исходя их этого, учитывая тот факт, что машины с ДВС способны проезжать значительно больший километраж, перспективы электрокаров выглядят достаточно туманно. При этом не стоит забывать, что компании планируют позиционировать электромобили, как массовый продукт.

Подводя краткий итог

Повторимся, что мы не являемся противниками электромобилей. Это очень, очень перспективный вид транспортного средства, за которым будущее. Но! Согласитесь, что пока человечество не достигло необходимого уровня развития, чтобы массово производить недорогие, доступные и качественные электрокары. Таким образом, через годы, а может быть десятилетия, электромобили действительно способны полностью вытеснить машины с двигателями внутреннего сгорания. А, пока, это если не утопия, то только-только развивающая индустрия.

Использованы материалы издания «АвтоВзгляд».

Научный дайджест №12: об электромобилях, аккумуляторах и нейроморфных перспективах

⇡#Так ли безвредны для экологии электромобили?

Несмотря на огромный вред окружающей среде от традиционного дорожного транспорта, полностью отказаться от него в ближайшей перспективе вряд ли представляется возможным. Единственный выход в разработке новых видов транспорта, которые бы отличались большей дружелюбностью к экологии. Одним из таких перспективных направлений считаются электромобили (EV, electric vehicles). Ведь они, казалось бы, лишены вредных выхлопов, обладают высокой экологичностью, так как не используют нефтяное топливо, антифризы, моторные масла, фильтры для этих жидкостей и т.д.

Многие страны, включая членов Евросоюза и США, разрабатывают инициативы, планы и стратегии с целью развития электромобилей. Одна из наиболее амбициозных целей предложена консорциумом Международного энергетического агентства (International Energy Agency) и восемью странами (Китай, Франция, Германия, Япония, Южная Африка, Испания, Швеция и США). Состоит она в том, чтобы к 2020 году довести объём выпуска полностью электрических и гибридных электромобилей до двадцати миллионов. При этом массово поставляемые электромобили и гибриды первой волны, такие как Citroen C-Zero , Nissan Leaf, Renault Kangoo ZE, GM Volt, Ford Electric Focus, уже сегодня доступны на рынке.

Из-за того, что электротранспорт имеет нулевой уровень выхлопов, принято считать, что этот вид транспорта является «зелёным» и безвредным. Но исследования ученых показывают, что не всё здесь так гладко. Реальное положение дел гораздо сложнее, ведь необходимо учесть также и большое количество побочных влияний на протяжении всего жизненного цикла такого транспорта. Перед принятием серьёзных инвестиционных решений в пользу новых видов транспорта следует тщательно сравнить развивающиеся технологии с их традиционными конкурентами.

Исследование Environmental impacts of hybrid and electric vehicles (DOI: 10.1007/s11367-012-0440-9), опубликованное в семнадцатом выпуске журнала International Journal of Life Cycle Assessment, показывает, что при оценке вреда транспорта для экологии одно из важнейших значений имеет анализ цикла производства. Например, для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV, internal combustion engine vehicles) вклад производства в глобальное потепление составляет около 10%. То есть необходимо комплексно подходить к проблеме оценки. В частности, производство электронного оборудования требует использования различных (не всегда «зелёных») материалов, которые ставят не первый план вопрос утилизации отходов и заставляют задуматься о риске повышения токсичности окружающей среды.

Лишь небольшое количество исследований детально рассматривает производство электромобилей, но и в них учитываются далеко не все аспекты. Ученые из Норвежского университета науки и технологий (Norwegian University of Science and Technology) в своей недавней работе Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles (DOI: 10.1111/j.1530-9290.2012.00532.x), опубликованной в последнем выпуске журнала Journal of Industrial Ecology, попытались провести основательный сравнительный анализ влияния на экологию электромобилей и традиционных автомобилей в течение всего жизненного цикла. Результаты оформлены в виде набора из десяти релевантных категорий. Нормализированные метрики включают влияние на глобальное потепление (GWP), подкисление земли (TAP), формирование твердых частиц (PMFP), формирование фотохимических оксидантов (POFP), токсичность для человека (HTP), экотоксичность пресной воды (FETP), земную экотоксичность (TETP), эвтрофикацию пресной воды (FEP), истощение минеральных запасов (MDP), истощение источников полезных ископаемых (FDP). Величины этих метрик в виде гистограмм изображены на рисунке ниже.

Как показывают результаты, отрасль электротранспорта в целом может оказаться более вредной по сравнению с традиционной автомобильной промышленностью. Здесь всё зависит от многих факторов, в том числе, способа добычи электричества. В странах с развитой альтернативной энергетикой негативное влияние электромобилей на окружающую среду будет меньшим. Если же электричество добывается из угля, то активное развитие электротранспорта может нанести ощутимый вред экологии. Также стоит обратить внимание и на цепочку поставок комплектующих. Производство мощных аккумуляторов совсем не безвредно. В общем, ученые в своём исследовании дают понять, что с оценкой экологичности новых видов транспорта всё очень непросто и подход здесь нужен основательный.

⇡#Новые алгоритмы улучшат аккумуляторы

Раз уж мы коснулись темы электромобилей, логичным видится включение в данный выпуск новости о разработке учеными из Калифорнийского университета (University of California) передовых оценочных алгоритмов для систем управления аккумуляторами (BMS, battery management systems), которые позволят литиево-ионным источникам питания работать эффективнее, снизят их себестоимость, а также ускорят зарядку таких батарей.

В настоящее время для мониторинга характеристик аккумулятора и его работоспособности производители обычно используют данные о величинах напряжения и тока. Как отмечает профессор Мирослав Крстик (Miroslav Krstic), такой метод даёт очень грубый и неточный результат. Вследствие этого, из соображений безопасности разработчики создают батареи более крупных, чем надо, габаритов и веса, что увеличивает их стоимость. Кроме того, их время зарядки слишком большое, так как с целью перестраховки аккумуляторы настроены на работу в щадящем режиме. А это ограничивает, главным образом, отрасль электромобилей.

Компания Toshiba, например, недавно заявила о своих планах отказаться от серийного выпуска своего электромобиля второго поколения eQ, ссылаясь на слишком длительную зарядку батарей, которая, по мнению производителя, не позволит ему завоевать массовую популярность.

Классические литий-ионные батареи состоят из трёх листов, скрученных вместе. Один из крайних слоёв выступает анодом, средний играет роль сепаратора, и последний является катодом. Когда аккумулятор полностью заряжен, ионы лития сохраняются на аноде. При подключении приёмника питания, ионы перемещаются от анода к катоду. Для того, чтобы батарея правильно функционировала, важно знать, как именно ионы распределяются на аноде. Но это очень тяжело измерить, даже с использованием сложного дорогостоящего оборудования.

Рис. 2. Структура литиево-ионного элемента

Ученые разработали алгоритмы, позволяющие оценивать процессы в батарее на электрохимическом уровне. С помощью предложенной математической модели можно также оценить изменение «состояния здоровья» аккумулятора с течением времени. Исследователи надеются сформулировать стратегию зарядки и использования батарей для полного раскрытия их потенциала, обеспечивающую при этом безопасность эксплуатации.

Для развития проекта Агентство передовых исследований в области энергетики ARPA-E выделило грант в размере $9,6 млн, который разделят между собой Калифорнийский университет, а также участвующие в разработке компании Bosch и Cobasys. Эти деньги пойдут на проведение тестирований алгоритмов на реальных аккумуляторах, включая оценку распределения заряда в батарее, её состояния, а также разработку оптимальных стратегий зарядки и разрядки. По предварительным данным, внедрение новых алгоритмов позволит снизить себестоимость литий-ионных аккумуляторов на 25%, а также позволит вдвое сократить время зарядки.

⇡#Аппаратная основа нейроморфных компьютеров

Напоследок расскажем об интригующем исследовании группы ученых из Университета Париж-Юг (Universite Paris-Sud), Университета д’Еври-Валь д‘Ессона (Universite d’Evry-Val d’Essonne), Кембриджского университета, Национального института передовой промышленной науки и технологий Японии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST). В публикации A ferroelectric memristor (DOI: 10.1038/nmat3415), опубликованной в последнем выпуске журнала Nature Materials, делается предположение о возможности использования ферроэлектрических мемристоров (мемристор — микроэлектронный элемент, изменяющий своё сопротивление в зависимости от протекающего через него заряда) в качестве аппаратной основы для создания компьютеров, работающих наподобие человеческого мозга. Созданный учеными прибор отличается от других известных мемристоров высокой скоростью переключения (10 нс) и широким диапазоном изменения сопротивления (на два порядка).

В туннельных переходах с сегнетоэлектрическим барьером переключение поляризации ферроэлектрика вызывает изменение туннельного сопротивления. При этом разница сопротивления между состояниями «Включено» (ON) и «Выключено» (OFF) составляет несколько порядков, что называется эффектом гигантского туннельного электрического сопротивления. По аналогии с функционированием ферроэлектрической памяти (FeRAM), большой коэффициент «OFF/ON» в ферроэлектрических туннельных переходах (FTJ, ferroelectric tunnel junction) ранее рассматривался только как возможность для реализации бинарного хранилища данных. Важным параметром, до сих пор не используемым в FTJ, является его доменная структура. В ферроэлектриках размер домена может составлять всего несколько нанометров. Это обеспечивает очень точное управление пропорцией доменов, направленных вверх и вниз, и свойствами FTJ с использованием переключаемой поляризации.

Читать еще:  Финансовый дайджест: итоги недели, 13–17 января 2014 года, в IT-секторе

В своей работе ученые показывают, что конфигурация доменов ферроэлектрического туннельного барьера может контролируемо использоваться для получения практически непрерывного спектра уровней сопротивления между выключенным и включенным состояниями. Исследователи проанализировали процессы переключения с выключенного состояния во включенное, и наоборот, а также разработали их модели в терминах зарождения и распространения доменов. По утверждению авторов, FTJ выступает как новый класс мемристивных систем, для которых уравнения состояний можно выводить из моделей динамики поляризации.

На первом этапе исследования построен график зависимости сопротивления туннельного перехода от амплитуды подаваемых импульсов напряжения (рис 3). Как видно из большой петли гистерезиса, соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состоянии составляет около 300. Меньшие петли показывают, что сопротивление можно точно настроить на одно из множества значений между RON и ROFF.

Рис. 3. Влияние на FTJ изменением амплитуды импульсов

Далее показано, что при включенном состоянии рост амплитуды подаваемых положительных импульсов порождает новые домены с направленной вниз поляризацией вплоть до состояния насыщения (близкое к выключенному состоянию). Прикладывание отрицательных импульсов со всё большей амплитудой приводит к порождению направленных вверх доменов.

Кроме того, сопротивление туннельного перехода зависит не только от амплитуды импульсов, но также и от их продолжительности и количества повторов. Эта зависимость показана на рисунке 4.

Рис. 4. Влияние на FTJ длительностью импульсов

Результаты, зафиксированные на рисунке 5, показывают, что уровень сопротивления FTJ может устанавливаться не только импульсом соответствующей амплитуды, но и также определённой последовательностью импульсов фиксированной величины. Как утверждается, именно эта особенность позволяет говорить о возможности интеграции FTJ в нейроморфные вычислительные архитектуры. FTJ рассматривается в таком случае как база для создания искусственных синапсов.

Рис. 5. Влияние на FTJ последовательностью одинаковых импульсов

Важным достижением исследователей также является построение модели переключения сопротивлений FTJ на основе физических моделей с такими параметрами как напряжение, время, объёмная доля направленных доменов.

Ясное дело, что о каких-либо коммерческих реализациях говорить пока рано. Но тема сама по себе интересная. Отметим, пару месяцев назад в Сети появились сообщения о разработке компанией Intel нейроморфного дизайна процессоров. А промышленные гиганты такого уровня умеют разглядеть перспективность даже тех технологий, внедрение которых возможно только в очень далёком будущем.

Электромобили наносят большой ущерб экологии: новое исследование («За рулем»)

21 сентября 2019, 08:23

Одни говорят, что электромобили сохраняют окружающую среду. Другие настаивают, что они бесполезны с экологической точки зрения. Кто прав? Немецкое издание Automobilwoche проверило факты и опубликовало отчет, который во многом совпадает с предположениями «За рулем».

В последнее время ни одна касающаяся экологии тема не обсуждается так бурно, как электромобили, а точнее их противостояние с двигателями внутреннего сгорания. Насколько они чище бензиновых и дизельных машин? Для ответа на этот вопрос нужно рассмотреть весь жизненный цикл автомобиля.

Следуя законодательству ЕС, автопроизводители обязаны снижать количество выбросов СО2 в атмосферу, в перспективе — до нуля. Но судить о чистоте только по выбросам — неверно и несправедливо. Сначала следует рассмотреть производство автомобилей.

«В производстве электромобиль грязнее, что в основном связано с энергоемким производством аккумуляторов, — объясняет ученый Научно-исследовательского центра экономики энергетики (FfE) Аника Регетт. — Чтобы сделать аккумуляторную батарею, требуется много энергии, а ее производство не обходится без выбросов. Каково их количество — зависит от источника энергии».

В большинстве исследований приводятся следующие цифры: при производстве 1 кВт.ч в атмосферу выбрасывается от 100 до 200 кг CO2. Как рассказал эксперт института Öko Питер Кастен, данные по производству батарей чрезвычайно трудно найти. Они конфиденциальны для каждой компании, поэтому никто не имеет к ним доступа. При озвученном уровне загрязнений во время производства стандартной батареи мощностью 35 кВт.ч в атмосферу выбрасывается около 5 тонн парниковых газов. В разных исследованиях эти выбросы достигают объемов от 10 до 12 тонн. Для сравнения: двигатель внутреннего сгорания, будь то бензиновый или дизельный, при производстве заставляет выбрасывать в атмосферу от 6 до 7 тонн парниковых газов.

Недостаток электромобилей при производстве компенсируется последующим отсутствием выхлопа, заявляют их лоббисты. Электродвигатель «намного эффективнее», чем двигатель внутреннего сгорания, говорит Регетт, и «потребляет меньше энергии на один километр».

Есть исследования, в которых указывается на то, что электромобили не имеют преимущества в выбросе CO2. Они выбрасывают парниковые газы опосредованно — при производстве необходимой электроэнергии на электростанции. В коалиционном соглашении Евросоюза указано, что доля возобновляемых источников энергии должна к 2030 году увеличиться до 65%.

При сравнении следует учитывать и то, что для производства аккумуляторов используется сырье (литий, кобальт и никель), добываемое в сомнительных с этической точки зрения и экологически сложных условиях. Утилизация и переработка металлов не менее важна, а для лития она экономически нецелесообразна, что должно бы поставить крест на этом элементе.

Некоторые эксперты также подозревают, что использование электромобилей может привести к эффекту «отскока». То есть эффект окажется противоположным, а наша атмосфера — грязнее. В этом случае предполагается, что электромобили, которые считаются более чистыми, будут использоваться чаще и интенсивнее, чем обычные машины. Например, для многих электромобиль заменит велосипед или общественный транспорт. Данные исследования, проведенного в 2014 году в Норвегии, — стране, где очень много электромобилей, — подтверждают это опасение.

Тем не менее большинство экспертов Германии убеждены в чистоте электромобилей, а значит политика Евросоюза в их отношении пока останется неизменной.

«Я не вижу альтернативы электромобилю в том, что касается защиты окружающей среды, — резюмирует Кастен. — Основным условием защиты климата является переход на гораздо более эффективный общественный транспорт и сокращение количества поездок».

Перспективы электромобилей: утопия или прогресс


В последние годы практически все мировые производители автомобилей, в буквальном смысле, «кинулись в омут электрификации». А ведь с электромобилем далеко не всё так просто, как кажется на первый взгляд

Мало того, по мнению многочисленных экспертов, за электромобилями будущее. То есть, в ближайшие годы на дорогах начнёт появляться всё больше и больше машин с нулевыми выбросами вредных веществ, которые, согласно предсказаниям и прогнозам, должны в итоге полностью вытеснить автомобили с ДВС.

Однако есть и «другая сторона этой медали». Давайте попытаемся разобраться и понять, электромобили – это утопия или же наоборот прогресс. Мы конечно не против такого вида транспортных средств. Но, в настоящее время идея глобальной электрификации автомобильной индустрии, по меньшей мере, выглядит не такой уж и радужной.

Например. Задайте себе вопрос, почему французская компания Renault прекратила выпуск электромобиля Fluence Z.E. Главная причина – недостаточно высокий потребительский спрос на машину с электрической силовой установкой. Мало того, немного разобравшись в ситуации, мы нашли, как минимум, ещё несколько причин, из-за которых электромобили в ближайшем времени не станут ни популярными, ни прибыльными.

Прежде чем конкретизировать, отметим, что даже американцы, которые и стали первооткрывателями массового внедрения электрокаров, постепенно начали терять интерес к подобным машинам. Это взято «не с неба». Так, Министерство энергетики Соединённых Штатов Америки считает, что к 2040 году электромобилей в стране будет не более 1% автомобильного рынка. Ранее этот прогноз был значительно «радужнее».

Экология – это вовсе не проблема автомобилестроительной отрасли

Не секрет, что с каждым годом человечество, в прямом смысле этого слова, кошмарят различными картинками, главным героем которых является смог над индустриально развитыми мегаполисами. При этом отмечается, что такая ситуация складывается из-за огромного автопарка. Да, в этом есть часть истины, но, только часть.

Многочисленные профильные специалисты отмечают, что виной тому, далеко не в последнюю очередь, промышленные предприятия. В свою очередь, жёсткая экологическая политика в этой области может привести к тому, что в государствах начнётся падение ВВП со всеми вытекающими отсюда последствиями.

То есть, если от «экологических воин» начнутся «социальные и голодающие бунты», согласитесь, на саму экологию всем будет откровенно «наплевать». Проще говоря, нас просто переключают от одной проблемы на другую, «спуская всех собак» именно на автомобилестроение.

А если столько электричества у человечества

Глобальная электрификация автомобилестроительной индустрии заставляет задуматься и над таким вопросом, как «а есть ли у нас столько электричества». Пожалуй, что в настоящее время более эффективным способом получения электричества является атомная энергетика. Но, давайте вспомним о Чернобыле и Фукусиме.

При этом адепты тотальной автомобильной электрификации утверждают, что большинство людей планеты дышат выхлопными газами, которые выбрасывают машины с двигателя внутреннего сгорания, что приводит к получению легочных заболеваний, отравлений и так далее.

Так если в настоящее время человечество не нашло идеального способа выработки огромного количества энергии, пусть лучше остаётся всё как есть?! Ведь согласитесь, обычные гидроэлектростанции можно строить далеко не везде, да и с экологической составляющей тут есть масса вопросов. Да и сколько их тогда нужно построить, чтобы хватало на все наши потребности!?

Есть ещё «прогрессивные» солнечные батареи и ветряки, но они, как известно не окупаются. Помимо всего прочего, здесь также возникает проблема утилизации отработавших свое конструкций. Так, по данным мировых СМИ, вопрос утилизации подобных источников энергии стоит не менее остро, чем утилизация отработанного ядерного топлива.

Действующие же электростанции, источником получения электрической энергии которых является жидкое или твёрдое топливо, опять же негативно влияют на экологию, да и не столь эффективны. Конечно, сделаем ещё одну поправку, мы умалчиваем о том вреде, который приносит нашей планете добыча и использования более привычных всем видов топлива для автомобилестроения.

Нет инфраструктуры

Отсутствие инфраструктуры для использования электрифицированных транспортных средств – это ещё один «плюс в корзину» подобного транспорта. Да что там говорить, из-за этого и нет надлежащих объёмов продаж существующих электрокаров. Ну, скажите, зачем человеку покупать машину, которую негде заряжать?!

Мало того, встаёт и другой вопрос: время, которое необходимо для зарядки батарей электрокаров. Да, мировые производители активно работают над этим вопросом, но пока не всё так хорошо, как этого бы хотелось. Если коротко конкретизировать, то в настоящий момент инфраструктуры под использования электрокаров в глобальных масштабах просто нет. Но, опять же, сделаем поправку на то, что в будущем эта ситуация может и должна измениться.

Окупаемость и цена

Пожалуй, что начнём со второго и третьего. Как ни стараются мировые производители, пока цена электромобиля достаточно высока. Это, в свою очередь, а также плохо развитая инфраструктура, приводит к тому, что быстро окупиться электромобиль не может. Как подсчитали ранее британские аналитики, даже самый доступный электромобиль при всех своих плюсах способен окупить вложения, в лучшем случае, через пять лет. При этом машины с ДВС окупаются через три.

Надёжность

Представьте себе, что компания продаёт вам новый автомобиль, которого способен пробежать без достаточно серьезного вмешательства порядка 120 тысяч километров?! Согласно исследованиям, главный движущий элемент электромобиля – аккумулятор – склонен к быстрому старению. И это, в первую очередь, опять же связано с технологическими проблемами.

Исходя их этого, учитывая тот факт, что машины с ДВС способны проезжать значительно больший километраж, перспективы электрокаров выглядят достаточно туманно. При этом не стоит забывать, что компании планируют позиционировать электромобили, как массовый продукт.

Подводя краткий итог

Повторимся, что мы не являемся противниками электромобилей. Это очень, очень перспективный вид транспортного средства, за которым будущее. Но! Согласитесь, что пока человечество не достигло необходимого уровня развития, чтобы массово производить недорогие, доступные и качественные электрокары. Таким образом, через годы, а может быть десятилетия, электромобили действительно способны полностью вытеснить машины с двигателями внутреннего сгорания. А, пока, это если не утопия, то только-только развивающая индустрия.

Использованы материалы издания «АвтоВзгляд».

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector