УДК 629.1 504.5

К ВОПРОСУ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

 

ON THE ISSUE OF ENVIRONMENTAL SAFETY OF ELECTRIC VEHICLE BATTERIES

Донцов С.А.

(Российский университет транспорта (МИИТ), г. Москва, РФ)

 

Dontsov S.A.

(Russian University of transport (MIIT), Moscow, Russia)

 

Рассмотрены перспективы развития электромобилей в РФ, выявлены причины, тормозящие развитие этого перспективного вида подвижного состава. Особое внимание уделено существующим способом подзарядки и видам используемых аккумуляторных батарей, приведены их достоинства и недостатки. Приведена экологическая опасность их компонентов и пути минимизации воздействия на окружающую среду.

The prospects for the development of electric vehicles in the Russian Federation are considered, and the reasons that hinder the development of this promising type of rolling stock are identified. Special attention is paid to the existing method of charging and the types of batteries used, their advantages and disadvantages are given. The environmental hazard of their components and ways to minimize the impact on the environment are given.

 

Ключевые слова: электромобили, аккумуляторные батареи, зарядка, воздействие, технология, окружающая среда

Keywords: electric vehicles, batteries, charging, impact, technology, environment

 

Нефтяные кризисы, стремительное загрязнение окружающей среды (ОС), усиление проявления экологических кризисов способствовали тому, что, начиная с конца прошлого века, ряд стран постепенно стали искать альтернативу традиционному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), одним из которых и явился электромобиль. Исторически первый в мире электромобиль появился даже раньше, чем ДВС, однако, мощный импульс к их производству появился значительно позже – несколько десятков лет назад в ХХ столетии.

Специфика жизненного цикла электромобилей такова, что в отличии от традиционных ДВС, где основная опасность приходится на стадию эксплуатации, для данного подвижного состава наиболее критичен этап утилизации, в первую очередь за счет отработанной аккумуляторной батареи (АКБ).   

Экологическая опасность АКБ достаточна известна [1]. В целом по степени опасности на ОС основные компоненты аккумуляторов можно отнести ко 2-му классу опасности – высоко опасные (экосистема сильно нарушена, период восстановления до 30 лет). К тому же основные компоненты АКБ обычно являются ценным технологическим сырьем и являются редкоземельными элементами. Например, основным катодным элементом для литий-ионной АКБ является LixCoO2  (кобальтит лития), получаемый в основном из кобальта. Кобальт - серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом, принадлежащий к 9-й группе периодической системы. По запасам этого элемента РФ является далеко не мировым лидером (7 место или 250 тыс. т.) [2]

В последние годы в мире идет активное наращивание количества парка электромобилей в мире, причем как на Западе (США, Нидерланды, Франция, Швеция, Исландия), так и на Востоке (Китай, Япония). 

В 2019 г. в мировой парк электромобилей увеличился почти на 8 млн, а, по экспертной оценке Bloomberg [3], к 2040 году он составит порядка 530 млн электромобилей. По прогнозам Международного энергетического агентства - рост рынка за 2026-2040 года составит более 10 раз.

Главнейшими причинами, тормозящими активное развитие электромобилей у нас в стране, являются:

1 Значительная стоимость электромобиля. Анализ топ-20 доступных для покупки электромобилей в России показывает их среднюю стоимость от 1 млн. руб. за  ВАЗ Ellada (практически единственная отечественная и самая доступная модель) до Tesla  Roadster за 20 млн. руб.  Следует отметить, что большинство реализуемых электромобилей в стране относятся к ценовой категории 4-5 млн. руб. 

2 Неразвитость инфраструктуры. Согласно открытым данным в стране порядка 100 зарядных станций, из которых большая часть сосредоточена в Московской агломерации, учитывая размеры РФ, особенности климата и ландшафта, количество этих станций должно быть в сотни раз больше.

3 Отсутствие социально-партнерских программ бизнеса и государства для поддержки индивидуальных владельцев. В отличии от общественного транспорта, партнерские программы - бесплатная/льготная подзарядка и парковка, выделенные полосы, минимизация транспортного налога и т.п. находятся в зачатковом состоянии.

4 Незрелость гражданского общества в вопросах охраны окружающей среды. Общеизвестно, что вопросы экологической безопасности самым тесным образом находятся во взаимодействии с уровнем развития экономики. Для большой части граждан страны на данный момент времени приоритетом является экономический, а не экологический фактор [4].

5 Противодействие «нефтяного лобби». РФ, наряду с Саудовской Аравией является флагманом в традиционной нефтедобычи. К сожалению, существующее экономическое положение страны и политика вертикально интегрированных нефтяных компаний не нацелена на перевод личного транспорта на электропитание и/или альтернативные виды источники. Недальновидность и недооценка отечественным бизнесом развития инноваций по совершенствованию технологии добычи уже привели к «неожиданностям» в виде сланцевой революции и вхождению США в тройку мировых нефтяных экспортеров. В ближайшие годы мировой рынок нефти будет сужаться, в том числе и из-за резкого увеличения электромобилей.

6. Технологические проблемы по унификации как способа зарядки, так созданию «единого эталона» долговечного, емкого, эффективного и экологичного аккумулятора.  

Анализ технологических решений зарядки электромобилей позволил выделить основные способы зарядки:

а) Медленная зарядка – процесс, осуществляемый от обычной бытовой электрической сети в течении 8-10 часов.

б) Быстрая зарядка – процесс, осуществляемый на специально оборудованных станциях (обычно в течении 30 минут).

в) Замена разряженной аккумуляторной батареи (АКБ) на новую – так называемая «горячая замена» в течении 2-3 минут (обычно возможна только для отдельных марок электромобиля).

Еще одной особенностью эксплуатации электромобилей является «региональный компонент». Так, в Японии самое большое количество быстрых зарядных станций, а в США – медленных.

На сегодняшний день в мире наиболее распространенными видами АКБ являются:

1) литий-серные;

2) литий-ионные;

3) металл-воздушные.

4) алюминий-ионные.

Основной чертой литий-серных АКБ является их повышенная емкость, более высокий диапазон эксплуатации, «выносливость», умеренная стоимость, однако они имеют ограниченную возможность для перезарядки (до 60 циклов).

Литий-ионные АКБ имеют широкое распространение, характеризуются мощностью, большим напряжением, «живучестью», длительным сроком службы до 10 лет. Основными недостатками являются: стоимость, пожаровзрывоопасность,  незащищенность от «избыточного заряда». 

Металл-воздушные АКБ относительно новый, но уже популярный вид. Отличительными чертами являются: экономическая доступность, компактность, изностойкость, легкость, «живучесть». Отрицательными аспектами являются: возможность внезапной остановки (при разряжении) и пониженная эффективность при отрицательных температурах.

Алюминий-ионные АКБ относительно новый вид, отличительными чертами которых являются: значительный ресурс (до 7500 циклов), низкая стоимость, пожаровзрывобезопасность; недостатками являются: сложность зарядки и необходимость квалифицированного персонала в сервисе для замены.

Важность разработки и совершенствования химических источников энергии, подтверждает и тот факт, что Нобелевская премия по химии в 2019 году была присуждена за разработку литий-ионных батарей, одним из лауреатов которой явился Есино Акира, создавший в 1985 перезаряжаемую литий-ионную АКБ [5].

Производителем номер один АКБ в мире сейчас является КНР, и в ближайшие годы эта тенденция сильно не изменится -  таблица 1.

 

Таблица 1 – Ранжирование производственных мощностей по созданию АКБ в мире, %/год  (экспертная оценка Bloomberg)

Страна

2019

2023

КНР

75

65

Европейский союз

5

10

США

9

10

Южная Корея

7

3

Япония

3

1

Прочие

1

11

 

РФ практически не производит АКБ для электромобилей, однако в стране очень остро стоит вопрос по селективному обороту твердых коммунальных отходов (ТКО), то, что было сделано в развитом мире несколько десятков лет назад – нам предстоит только сделать в ближайшие годы. 

Учитывая технологическую, экономическую и экологическую составляющие, необходима не просто утилизация, а полная переработка АКБ разного типа. Отягчающим условием будет являться и то, что каждый производитель электромобиля пытается установить свой, уникальный «типоразмер» источника питания, что безусловно затруднит и удорожает процедуру дальнейшей переработки использованных источников питания.

В свете перспективного роста численности этого подвижного состава и продолжающуюся в стране «мусорную реформу» необходимо самое пристальное внимание уделить обращению и созданию технологии глубокой переработки АКБ.  

                                     Список использованных источников

1. Донцов С.А. Основы устойчивого развития регионов России / С.А. Донцов, Г.К. Ивахнюк, Б.С. Липнер, Л.В. Птушкина. СПб.:  Печатный цех, 2016. 571 с.

2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2018 году». М.: Минприроды России; НПП «Кадастр», 2019.  844 с.

3. Официальный сайт информационного агентства Bloomberg.  [Электронный ресурс].  Режим доступа  https://www.bloomberg.com/europe.  (дата обращения 16.04.2020 г.).

4. Донцов С.А. Роль транспортной инфраструктуры в устойчивом  развитии территорий Московской агломерации  / С.А. Донцов // Проблемы безопасности российского общества. 2019. №1 (25). С.58-62.

5. Официальный сайт Нобелевского комитета. [Электронный ресурс]. Режим доступа  https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/. (дата обращения 17.04.2020 г.).