Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Одним словом, во всех автомашинах, работающих на углеводородах, есть один громадный недостаток: они слишком тяжелы. И этот вывод мы можем сделать сразу, еще не разбирая подробно других причин их неэффективности. Фундаментальная проблема автомобилей заключается в том, что они используют только 15 % энергии, заключенной в бензине. Остальное теряется разными способами: потери производимого тепла в цилиндрах, потери на трение в механической части, даже на звук, который издает двигатель, на работу электросхемы и т. д. Если бы коэффициент полезного действия автомобиля составлял 100 %, а энергия жидкого топлива полностью преобразовывалась в кинетическую, наши машины покрывали бы на том же количестве топлива в 5–10 раз большее расстояние. Это значит, что одной чайной ложки бензина нам хватало бы на полкилометра, а то и больше.

▲ На что автомобиль тратит энергию? Машины ужасно неэффективны. При поездке по городу только примерно 15 % энергии топлива, которое вы купили, генерирует полезную мощность для колес. Всё остальное – потери двигателя (например, потеря тепла в радиаторе), «паразитические» потери (ими мы «обязаны» генератору, который отнимает энергию для производства электричества) и потери трансмиссии, которая сообщает энергию колесам. По материалам Министерства энергетики США, Управления по транспортному сообщению и качеству воздуха[58].

Чем больше людей в машине, тем выше ее полезная нагрузка по отношению к собственному весу и тем больше эффективность ее использования. Именно поэтому грузовики, автобусы и дизель-поезда достаточно эффективны, хотя и используют тяжелые дизельные двигатели. Но какой бы эффективной вы ни делали машину или другой вид транспорта с двигателем внутреннего сгорания, принцип их работы остается одним: сжигание топлива и выброс в атмосферу загрязняющих веществ от сажи до углекислого газа, становящихся причиной глобального потепления. Как же создать более совершенное, чистое и эффективное средство передвижения типа машины? Что говорит наука?

Лучше, чем бензин?

Хитроумные изобретатели в разное время предлагали самые разные типы двигателей для автомашин. До того, как появились бензиновые двигатели, существовали двигатели паровые. Но они оказались очень неэффективными и непригодными для использования в автомобилях. Кроме того, уголь тяжел, грязен и выбрасывает в атмосферу огромное количество загрязняющих веществ. Дизельные двигатели, которые представляют собой промышленный вариант бензиновых, тоже достаточно стары (они появились в конце XIX века) и также используют эффект внутреннего сгорания в цилиндрах. Многие думают, что электрические двигатели для автомобилей появились относительно недавно, но это не так. Это произошло задолго до расцвета империи Генри Форда, также в конце XIX века. Фердинанд Порше, более известный как создатель линейки современных спортивных автомобилей, стал пионером гибридного автомобилестроения, создав машину с электрическим двигателем в 1900 году[59].

Набросать на бумаге рисунок нового обтекаемого электромобиля легко. Гораздо труднее создать надежную конструкцию, которая позволит передвигаться как можно дальше и как можно быстрее. Возможно, вы считаете, что после 100 лет прогресса можно было бы создать электромобиль, более эффективный, чем машина с бензиновым двигателем. Но здесь есть фундаментальная проблема: современные батареи и аккумуляторы по уровню энергоемкости не идут ни в какое сравнение с жидкими энергоносителями: бензином, керосином (топливо для самолетов) и этилом (топливо для ракет). Даже кусок дерева или пакет сахарного песка содержат больше энергии, чем эквивалентные по массе перезаряжаемая батарея или аккумулятор. И если автомашину с бензиновым двигателем вы можете «перезарядить» за пару минут, залив ее бак бензином, то тихая перезарядка электрических аккумуляторов может требовать многих часов[60].

Защитники окружающей среды любят рисовать ужасные картины всемирного заговора, направленного нефтяным и автомобильным лобби против электромобилей, которые до сих пор ожидают своей очереди на обочине технического прогресса. А тем временем грязные и дорогие пожиратели углеводородов продолжают загрязнять атмосферу планеты. Правда гораздо проще: бензин является и в ближайшей перспективе останется гораздо более эффективным энергоносителем, чем электрические батареи и аккумуляторы. Наука, а не политика объясняет, почему большинство из нас по-прежнему ездит на автомобилях с бензиновыми двигателями, а не на электромобилях.

▲ Почему мы (пока) не ездим на электромобилях. Если измерять содержание энергии в килограмме энергоносителей, то электрические батареи могут запасти лишь очень небольшую часть той энергии, которая заключена в жидких углеводородах, таких как бензин и дизель. Водород заметно опережает по энергоемкости все остальные носители. Но это очень летучий и крайне пожароопасный газ, поэтому его трудно эффективно транспортировать и хранить[61].

Наше электрическое будущее?

Мы не обязательно будем ездить на бензиновых двигателях завтра. Мы не можем уверенно сказать, когда истощатся природные запасы нефти, когда она будет такой дорогой, что альтернативные источники энергии станут более привлекательными. Но этот день когда-нибудь придет. Сотни миллионов лет потребовались нашей планете на то, чтобы превратить в нефть сгнившие деревья и растения, а также морских животных. И всего один век понадобился человечеству для того, чтобы использовать почти все ее запасы. Нефть образуется каждый день. Так что, если мы остановим эксплуатацию ее месторождений и вернемся к ним через миллион лет, мы найдем множество новых естественных подземных хранилищ, из которых сможем черпать этот энергоресурс. Нравится вам это или нет, но факт остается фактом: сегодня будущее – за накопителями электрической энергии, хотя пока они не так энергоемки и удобны, как жидкие углеводороды.