Это статья является продолжением предыдущей темы - «Почему смерть АЗС наступит раньше, чем вы думаете?» но с более позитивным взглядом на перспективу.
Обычно обсуждая будущее какой-либо технологии предусматривается кардинально новый подход к процессам и взаимодействиям в рамках внедряемой в обществе инновации.
Но так ли все однозначно может быть в отношении бывших АЗС продававших ископаемое топливо традиционным автомобилям при переходе на зарядку электромобилей? Часть АЗС обычного вида безусловно отомрут, но что может произойти с теми заправками которые находятся вдали от городов и мощных электросетей?
Тут вопрос далеко не такой однозначный как может показаться на первый взгляд, и имеет массу переменных.
Для начала стоит определиться с различиями в градации АЗС. Так по расположению различают дорожные и городские АЗС.
У городских заправок будущее может быть печально ввиду высокой конкуренции с массой вариантов медленной зарядки у дома владельца электромобиля, а также на стоянках у супермаркетов, парковок и прочих мест где будет выгодно размещать зарядные станции. В качестве конкурентного преимущества бывшая АЗС могла бы установить более мощное зарядное оборудование, которое позволило бы зарядить автомобиль за относительно короткое время — от получаса до четырёх часов. Но тут все упирается в стоимость и мощность такой ЭЗС. Причем ограничение по мощности может оказаться даже более непреодолимым чем по цене, и в итоге уже даже сейчас компании-интеграторы зарядных станций в качестве оптимального варианта рекомендуют владельцам бывших АЗС в городах устанавливать одно зарядное устройство на 2 скоростных поста и одно медленное, общей мощностью не более 100-120 кВт.
Для дорожных АЗС все может быть либо еще хуже… либо лучше! В зависимости от условий подключение может быть достаточно простым при близко расположенной высоковольтной сети, но дорогим из-за дополнительных трат на электрооборудование.
Еще одним препятствием может стать сам возросший спрос на электроэнергию при всеобщей электромобилизации. Так уже подсчитано что если каждая семья в развитых странах обзаведётся своим электромобилем, к 2050 году всемирный спрос на электроэнергию вырастет на 20—38%. А это значит дорожные АЗС со сверхмощными зарядными устройствами могут столкнуться с отключениями от сети или даже рядом ограничений на используемую мощность.
Каким образом дорожные ЭЗС смогут это преодолеть? Тут есть ряд явных путей решения которые реализуются уже сейчас.
Первый и самый очевидный вариант решения энерго-голода это солнечные панели на крышах электрозаправок. В сочетании с аккумуляторами накопителями энергии от фотоэлементов подобный вариант способен обеспечить аварийное питание заправочной станции на время отключений от сети, и часть ежедневного расхода на сопутствующее оборудование. При использовании ночного тарифа для ЭЗС для заряда батарей это сможет покрыть часть потребностей, но очевидно вовсе не все возможные.
В наше время сейчас пики повышенного потребления электроэнергии покрываются на ЭЗС за счет дизельных генераторов. Или за счет автономных заправочных систем двойного назначения работающих на других видах топлива.
Например, в компании Propane Fueling Solutions больше полагаются на пропан. Инфраструктура автономных заправочных систем компании сочетает в себе пропановый генератор мощностью до 60 кВт в комплексе с ветровой и солнечной генерацией для создания микросети, которая позволяет ЭЗС чаще использовать режим «быстрой» зарядки.
Если развивать идею дальше, то можно прийти и к более простому решению для дорожных ЭЗС.
Один из вариантов это адаптация ЭЗС к зарядке различных аккумуляторных прицепов которые будут сдаваться на условиях аренды на время пробега на дальние расстояния электромобилистам. Такую технологию предлагает французский стартап EP Tender, который предполагает что его аккумуляторные прицепы смогут увеличить пробег некоторых электромобилей почти в два раза за счет заявленной емкости в 60 кВтч. Правда с оговоркой что часть энергии внешней батареи будет тратиться на буксировку прицепа-аккумулятора.
В рамках концептов такая идея до сих пор популярна.
Еще более простой вариант — обычный топливный генератор который будет заряжать электромобиль на ходу во время движения. В таком случае задача ЭЗС частично будет такой же, как АЗС т. е. Заправлять бак генератора чтоб потом он питал электромобиль, если по какой-либо причине невозможна «быстрая» зарядка батареи электромобиля.
И все это можно было бы назвать самой безобидной частью проблем на будущее… куда больше ограничений уже возникает со стороны самих электромобилей для зарядки ЭЗС, и технической возможности выполнять зарядные функции в интенсивном режиме даже если доступной электроэнергии хватает для этого.
Тут будущие ограничения видно как чисто теоретически, так и с точки зрения практики.
Для начала просто сравним время зарядки электромобилей и топливных машин. Разница в идеальном варианте практически в 6 раз (5 минут заправки автомобиля против быстрой зарядки за 30 минут!).
Если эту теорию рассмотреть в реальном мире эффект может быть смягчен для определенных условий эксплуатации. В городах и пригородах, где электромобиль имеет возможность чаще восполнять заряд на парковках и при зарядке ночью, и в силу небольших пробегов необходимость в многочасовой зарядке прямо скажем небольшая. Преимущества топливного автомобиля в таких условиях уходят все быстрее чем больше точек зарядки открывается по городу.
Совершенно иная ситуация за городом вдоль дорог на большом расстоянии от «цивилизации». При необходимости больших трат заряда на движение в дороге на большие расстояния электромобиль вынужден дольше находится на зарядке у дорожных ЭЗС. Необходимость в быстрой зарядке тут растет кратно ведь мало кто из частных владельцев желает часами оставаться на «заправке», или даже ночевать там. Таким образом сама специфика таких дорог создает условия когда клиентов «быстрых» зарядок тут всегда будет в разы больше чем в городе.
Внедрение «быстрых» зарядок в свою очередь способствует переходу к жидкостной системе охлаждения зарядных станций по причине того что обычные зарядные терминалы охлаждаемые воздухом чаще склоны к перегреву. Перегрев же зарядных станций уже напрямую влияет на время заряда батареи электромобиля через ограничения по электробезопасности зарядного кабеля и сопутствующей электроники.
Тоже касается и охлаждения самой батареи электромобиля, которая при недостаточном охлаждении ограничивает принимаемую силу тока от зарядной станции тем самым превращая «быструю» зарядку в «медленную» (вместо положенных 30 минут заряжает дольше… либо вообще отказывается принимать заряд пока температура батареи не стабилизируется).
В компании Tesla для решения проблемы охлаждения батареи на данный момент даже есть ряд патентов которые предполагает разные варианты реализации охлаждающей установки для решения этой проблемы. Например, в патенте описывается система которая, может охлаждать воздух в области днища кузова, где традиционно расположена батарея, либо может использоваться большой вентилятор для обдува радиаторов собственной системы охлаждения автомобиля. Также описывается схема, при которой внешняя система охлаждения будет подсоединяться напрямую к кранам контура системы охлаждения автомобиля, прогоняя охлаждающую жидкость через более мощный стационарный «холодильник».
Для зарядных станций же все уже давно вышло за пределы теории патентов.
Так в мировом масштабе как видно из графика проблема улучшения охлаждения уже активно решается… и если внимательно изучить представленные для сравнения виды охлаждения можно найти 3-й не озвученный вид охлаждения — refrigerant (хладагент), и именно с этим видом охлаждения связаны самые большие перспективы на будущее для решения многих проблем зарядки электромобилей и не только.
В качестве хладагента сейчас возникают большие перспективы для использования жидкого азота. Дополнительное охлаждение контура жидкостного охлаждения зарядных станций с помощью включенного в сеть емкости с криогенной жидкостью создаст все условия для гарантированного охлаждения до необходимой рабочей температуры независимо от погодных условий или интенсивности эксплуатации. С учетом роста пожароопасности станций со сверхбыстрой зарядкой и удаленности пожарных служб для дорожных ЭЗС попутным плюсом будет идти потенциальное использование жидкого азота для тушения возгораний. Это особенно актуально для помещений с ценным электрооборудованием, где использование традиционных водяных и пенных систем пожаротушения недопустимо. Установки азотного пожаротушения позволяют почти мгновенно потушить пожар и сохранить нетронутым ценное оборудование уже в наше время, и активно используются в химической, нефтехимической и лакокрасочной промышленности. То же можно сказать и о тушении возгораний электромобилей на ЭЗС.
Само хранение жидкого азота, как и его производство для бывшей АЗС так же не представляет особой проблемы. Подземные емкости для хранения топлива в этом случае можно переоборудовать с помощью дополнительной теплоизоляции в огромные сосуды Дьюара, а холодильное оборудование может использовать пики производства зеленной энергии и работу в ночное время в качестве способа нивелировать низкий кпд производства жидкого азота.
Потери жидкого азота в случае использования больших подземных емкостей будут относительно невелики (около 1,5 %). Поэтому при хранении этого хладагента зависимость потерь по времени будет небольшая, тем более что спрос на жидкий азот может возникнуть со временем и не только на самой ЭЗС.
Так компания Dearman в наше время уже протестировала новую технологию охлаждения рефрижераторных прицепов для обычных топливных грузовиков. Суть идеи их разработки лежит в том, чтоб заменить уже используемые дизельные генераторы для рефрижераторов грузовых машин на системы с жидким азотом в качестве источника энергии холода.
По словам директора компании Dearman - «Дизельное охлаждение с использованием автономных дизельных генераторов сильно загрязняет окружающую среду, шумно, и не регулируется так строго, как двигатель Евро 6 на тягаче, тянущем рефрижераторный прицеп. Двигатель одного прицепа-рефрижератора с дизельным двигателем может выбрасывать в шесть раз больше Nox, и в 29 раз больше твердых частиц, чем двигатель основного грузовика, а на долю дизельного транспортного прицепа-рефрижератора может приходиться до 80% загрязнения!»
Рефрижераторные системы с жидким азотом имеют еще и ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с холодильными установками, работающими на дизельном топливе: Более быстрое реагирование на запрос к охлаждению, более точный контроль температуры и в разы меньшую шумность работы, что делает их идеальными для доставки в ночное время.
Так же достоинством можно считать нулевые вредные выбросы (единственным побочным продуктом является азот) и уменьшенный углеродный след. В охлаждении жидким азотом нет ничего нового, но технология, при которой жидкий азот просто циркулирует внутри охлаждаемого контейнера, а затем выпускается газ в атмосферу, не может максимизировать свои преимущества и именно поэтому рефрижераторная транспортная система с жидким азотом Dearman отличается от других повторным использованием газообразного азота за счет смешивания с теплообменной жидкостью водно-гликолевого раствора, чтобы максимизировать и повысить свою эффективность.
Причина, по которой рефрижераторная транспортная система с жидким азотом Dearman намного более эффективна, чем конкурирующие криогенные транспортные холодильные установки, заключается в революционном двигателе Dearman. В двигателе Dearman используется жидкий азот и вода/гликоль (нетоксичный полиэтиленгликоль, также используемый для борьбы с обледенением дорог) для привода поршня двигателя за счет расширения газообразного жидкого азота. Основная мощность охлаждения обеспечивается жидким азотом. Двигатель Диармана, использующий смесь теплоносителя и жидкого азота, обеспечивает вторичный контур охлаждения, максимально увеличивая эффективность газов и эффективность охлаждения. Более эффективное использование жидкого азота для рефрижераторных перевозок делает жидкий азот конкурентоспособным источником энергии. Это также позволяет рефрижераторному транспортному средству быть полностью независимым от силового двигателя основного тягача.
Учитывая что будущие электрические автобусы и грузовики потребуют помимо мощных зарядных станций для быстрой зарядки (от 500 Квт) еще и дополнительную энергию для охлаждения перевозимого груза вероятность внедрения систем охлаждения основанных на жидком азоте может быть очень высокой.
Если немного продлить горизонт планирования можно даже предположить что возможны и варианты таких систем для охлаждения обычных легковых электромобилей.
Например, по примеру монтажа сосуда Дьюара в съемном боксе на фаркопе. При относительно небольшом весе в пределах от 40 до 80 кг такой «бак с жидким азотом» сможет посредством доработки сети системы охлаждения батареи и кондиционера работать при необходимости на охлаждение обоих. Не секрет, что система охлаждения батареи Tesla тесно интегрирована в своей работе с системой кондиционирования воздуха в салоне, и при определенных режимах работы забирает доступную холодопроизводительность от нее.
При внедрении охлаждающего контура в виде емкости с жидким азотом положительным эффектом станет не только удобство вождения в жаркую погоду, но и дополнительное увеличение пробега электромобиля (который неизбежно снижался в среднем при высоких температурах на 20 — 30%).
Стоит упомянуть и двухколесный электротранспорт. Различные мотоциклы и мопеды при дальних поездках в дороге так же нуждаются в быстрой зарядке и для них стоит предусмотреть такие же методы продления пробега в жаркую погоду.
Причем для разных категорий разные варианты использования жидкого азота. Так для обычных шоссейных байков подойдет включение в контур охлаждения жидкого азота который будет храниться фактически в том же месте где раньше был бензобак. И если в теории это пока фантастическое предположение, то на практике есть уже реальные примеры рекордных заездов на более «теплых» криогенных составах в виде сухого льда (твердый СО2 при температуре −78,5 °С ).
Voxan Wattman оснащен двигателем Mercedes-Benz EQ мощностью 320 кВт (435 л.с.) и литий-ионным аккумулятором 829 В, 5 кВтч. Для охлаждения набора используется система жидкостного охлаждения с теплообменником вода/сухой лед. Обтекаемая модель весит 296 кг. «Голая» модель с тем же двигателем и аккумулятором весит 276 кг.
Позитивные примеры с охлаждением сухим льдом показывают что потенциал технологии высок. Особенно если учитывать что температурные различия и потенциал по сравнению с жидким азотом (−195,75 °C) значительны.
Более легким вариантом использования потенциала ЭЗС на котором будет производится на месте жидкий азот станет заправка пневматических мотоциклов-велосипедов для местного использования. Учитывая что при эксплуатации криогенных емкостей всегда будет возникать периодическая необходимость сброса лишнего давления в емкостях (давление срабатывания сброса в атмосферу минимальное 24-30 бар) правильнее будет этот сжатый газ продавать для заправки легких видов транспорта.
Примеры таких мотоциклов и велосипедов так же испытаны в разовых тестовых образцах, осталось дело только за инфраструктурой. И если не обращать большого внимания на то что пробег такого мото-транспорта невелик и имеет проблемы с эксплуатацией в холодное время года нишевый местный спрос может быть обеспечен за счет низкой стоимости «заправки».
А теперь закончив разбор летнего периода работы ЭЗС стоит перейти к самому тяжелому для эксплуатации — зимнему! Тут так же будут значительные бонусы от работы крио-установки, но уже немного с другой стороны вопроса.
Не секрет для многих что зимой абсолютно любой электромобиль значительно теряет в дальности пробега из-за повышенных затрат на обогрев батареи и салона. Так Квебекская ассоциация электромобилей (AVEQ) подсчитала, что в среднем запас хода падает примерно на 25% при -15 градусах, и почти на 50% при -25 градусах. Попутным негативным эффектом при зимней эксплуатации электромобиля может быть и увеличенное время зарядки (иногда почти в три раза дольше если батарея электромобиля имеет недопустимо низкую температуру перед зарядкой).
Попутный эффект затрат — постоянный расход электроэнергии на подогрев батареи даже при отсутствии фактического использования при низких окружающих температурах на парковке и при остановках на открытой местности.
Если задуматься, то подобных потерь легко можно было бы избежать если бы на электротранспорте на зимний период была предусмотрена установка теплоаккумуляторов. А точнее тех же «сосудов Дьюара» только для хранения тепла при «заправке» его на ЭЗС.
Как этого достичь? А все дело в рекуперации уже упоминаемых холодильных установок для производства жидкого азота. КПД процесса генерации тут часто около 50% и отход в основном это тепло, которое можно улавливать и усиливать за счет тепловых насосов.
Практически таким образом для бывшей АЗС ставшей ЭЗС эффективность использования электроэнергии для производства жидкого азота поднимется практически в два раза!
Но готов ли электрический транспорт для этого? И тут к сожалению есть только теоретические выводы и исследования на эту тему.
Например, есть идеи установки тепло-накопителей в электрические автобусы. Наиболее подходящими материалами с фазовым переходом являются парафины или гидраты солей с температурой плавления в диапазоне от 30 до 65 oC и со скрытой теплотой плавления до 295 кДж/кг. Это означает, что система, в которой используется всего 11 кг материала с фазовым переходом, может накапливать до 3 x 106 Дж тепловой энергии, что значительно снижает нагрузку на батареи для обогрева салона в периоды холодной погоды. Одновременная зарядка теплом и электроэнергией как показано на картинке теоретически должна дать шанс увеличить дальность пробега и продлить срок службы аккумуляторов. Что особенно актуально для больших электромобилей с высокой потребностью в тепле, таких как электрические автобусы. Для электрического грузового транспорта такой подход будет менее актуален, то только если не возникнет потребности соблюдения заданного теплового режима для перевозимых грузов в холодную погоду.
При этом оба примера вполне смогут компенсировать потери тепла в дороге в случае использования электроэнергии рекуперации при уже неподходящей для этого батарее самой машины при определенных условиях эксплуатации.
Для легкового транспорта варианты зимнего подогрева будут значительно интереснее.
Изначально простейший вариант будет тот же теплоаккумулятор. Такой способ обогрева полностью не решит проблемы теплоснабжения согласно результатам тестирования, но даст основание для частичного пересмотра конструкции легкового электромобиля.
Так тесты проекта такой системы Domus показали именно такие результаты на базе электромобиля Fiat 500e.
Благодаря интеграции накопителя тепла в схему жидкостного отопления машины никаких дополнительных магистралей и радиаторов отопления не потребовалось. Устройство самого накопителя не отличалось от стандартного ничем кроме материалов изготовления.
Тепловой аккумулятор Domus состоит из супер теплоизоляционного материала на основе технологии органического аэрогеля с очень низкой теплопроводностью (λ<7мВт.м-1.К-1) используемого в двойной стенке для изоляции. Набивочный слой случайным образом заполнен инкапсулированными шариками 2287 PCM (алюминий / 19 мм в высоту и 15 мм в диаметре), содержащими внутри уникально чистый материал с фазовым переходом RUBITHERM®RT, RT35HC (парафин), температура плавления которого составляет около 35 °C. Каждая капсула была наполнена приблизительно 1,2 г ПКМ. Всего для наполнения всех капсул было использовано 2,7 кг PCM. Общий резервуар для хранения состоит из внутреннего корпуса AISI 304 L, наружного корпуса PA 12 HST [5] и имеет высоту 749 мм и диаметр 200 мм.
Результаты испытаний показали что можно сделать следующие выводы: Аккумулятор тепловой энергии представляет собой осуществимое решение для значительного накопления большого количества тепловой энергии, от 2,1 МДж до 3,9 МДж при низких температурах окружающей среды (–16 °C). Аккумулирование тепловой энергии до 0,75 кВт·ч позволяет получить достаточную мощность нагрева после длительной стоянки в течение 15 часов, усиливая использование обогрева при пуске, Мощность нагрева выше 4кВт сохраняется не менее 2 минут во время разряда, Расход электроэнергии на обогрев салона можно значительно снизить за счет новой компоновки системы и аккумулирования тепловой энергии (за счет ограничения использования электронагревателя), обеспечив пассажирам сравнимый климатический комфорт, но электрические нагреватели, вероятно, не могут быть удалены, но могут быть уменьшены в размерах.
Похожий вывод можно сделать и уже об испытанном варианте топливного отопления на электромобиле Volvo C30. Система отопления этого электрокара состоит из двух небольших электроотопителей и одного топливного (суммарно мощность 12 кВт).
В машине предусмотрен как автоматический, так и ручной режим выбора между видами отопления. Поэтому фактически стандартное оснащение электромобиля в разы выигрывает по сравнению с различными самодельными вариантами установки предпусковых подогревателей на дизеле и обычном бензине.
Если совместить выводы от использования тепло-накопителей и топливного подогрева, то может получиться интересный вывод с учетом использования тепла от холодильных установок ЭЗС.
Теплота сгорания спирта 7 150 ккал/кг, в то же время теплота сгорания древесного угля и пеллет практически такая же(7 050 ккал/кг). А это уже наводит на определенные мысли.
Возможно стоит использовать остаточное тепло от рекуперации для долговременной сушки древесных отходов собираемых от предприятий ЖКХ и граждан (валежник) для переработки их либо в пеллеты, либо в древесный уголь? (В среднем естественный процесс сушки дров может занимать до 6 месяцев, а при постоянной высокой температуре срок можно сократить до 3 недель даже для самого негодного древесного материала).
Затем установив небольшую печь на фаркоп электромобиля, по той же схеме работы как при накоплении холода в сосудах дьюара, просто подавать тепло в машину?
Причем размер этой печи явно будет в разы меньше стандартного размера таких агрегатов на ДВС(где пеллеты используются не для обогрева, а для создания тяги всего автомобиля путем сжигания газогенераторного газа!).
Тем самым станет возможным широкий выбор топлив для заправки зимой на ЭЗС. Ведь производство пеллет возможно буквально из любого мусора и отходов. Кроме опилочных пеллетов в наше время производятся еще Растительные (из шелухи гречки, кукурузы). Из соломы, бумаги и куриного помета. В общем выбор будет широкий в сельской местности где обычно и расположены дорожные АЗС, но это будет не единственный вариант «заправится» сжигаемым топливом.
Конечно можно было бы ограничится твердым возобновляемым топливом на ЭЗС… если бы не надо было думать еще о мотоциклистах переведенных на электротягу в будущем. Заправка пеллетами мототраспорта в данном случае из-за значительно более высоких колебаний транспортного средства и может быть неудобной при эксплуатации. И именно поэтому для любителей двухколесного транспорта стоит оставить жидкий вариант заправки — спирт!
Тем более что визуально даже на современных электро мотоциклах бак для топлива до сих пор часто сохраняется в декоративном варианте! Тем более что для производства спирта на ЭЗС можно будет так же использовать лишнее тепло от рекуперации для подогрева браги самогонной установки и отходы сельскохозяйственного производства. В СНГ же польза от переработки в спирт может быть еще чисто биологической. Так сырьем для производства этанола может служить сорняк — борщевик Сосновского! По расчетам ученых с гектара борщевика, ориентировочно, можно получить до 25 тыс. литров этанола (Для сравнения, сахарный тростник или сахарная свекла позволяют производить соответственно 4550 и 5060 литров этанола с гектара).
Результатом всех выше перечисленных действий станет увеличение предложения товаров и услуг бывшей АЗС помимо стандартных сейчас, что может помочь развить взаимовыгодное сотрудничество между клиентами и сетью ЭЗС.
Клиенты смогут привозить на АЗС в счет будущей скидки к сезону отходы в виде дров, отработанного масла (необходимого при производстве пеллет) и сливать остатки жидкого азота при необходимости.
А владелец электрозаправки вдоль основных дорог сможет продавать клиентам: зарядный ток, жидкий азот, сжатый воздух, твердое и жидкое(спирт) топливо.
Разве это не взаимовыгодная концепция?
P.S. - Несмотря на новизну предложения сама идея использования аккумуляторов холода и накопителей тепла для транспорта не нова.
Так еще в 1884 году идея остужать салон была предложена Уильямом Вайтли. По его чертежам полагалось установить внизу кареты с лошадьми емкости со льдом, которые обдувались вентилятором, приводимым через колеса, чтоб после подавать охлажденный воздух в карету.
Прообразом идеи на то время для Уильяма послужили «ледовые фургоны» которые перевозили лед для ледников и погребов летом.
Аккумуляторы тепла в каретах того времени так же использовались, но не нашли широкого применения в последствии. Несмотря на то, что кроме наборов с греющей солью были и очень экзотические варианты.
Самая интересная реклама обогревателей начала 20 века поступила от компании Novelty Manufacturing Company из Джексона, штат Мичиган. Их реклама предлагала нечто гораздо лучшее, чем старый запас угля. Новинка рекламировала свой обогреватель «X-Radium» как лучшую и новейшую технологию обогрева. В рекламе хвасталось, что «одним из его главных преимуществ является тот факт, что он не требует топлива. . . . грелка состоит из штампованного стального сосуда, наполненного веществом, которое притягивает к себе тепловые лучи и удерживает привлечённое тепло в течение нескольких часов. Вещество, которое они использовали, было радием. Радий был интригующим новым материалом для производителей, которые нашли место для него в ряде продуктов, даже в зубной пасте! В первые годы 20-го века смертоносная сила радия еще не была осознана, и идея поставить ноги на контейнер с радиоактивным материалом не звучала так пугающе, как для сегодняшних потребителей.
