«Вы просто не умеете творчески мыслить и искать альтернативы. Всё ищете рамки в которые можно упереться».
комментатор в интернете, свидетель Илона и адепт альтернативной энергетики
Расскажу в кратком конспекте о рамках, в которые можно упереться при поиске альтернатив. Для понимания степени экологической безвредности электромобилей, (ну и вообще альтернативной «зеленой» энергетики), приведу несколько технических справок с цифрами.
Сначала вступление: из чего, по большому счёту, состоит электромобиль, и чем отличается от автомобиля, оснащенного двигателем внутреннего сгорания. А потом уже поговорим о «зелёной» энергетике и редкоземельных элементах.
Что такое электромобиль?
Электромобиль – это в первую очередь, аккумуляторные батареи и электродвигатели, они же и работают для рекуперации электроэнергии обратно в аккумуляторы. Что из себя представляют электрические двигатели? Это катушки из меди (зачастую) и магниты.
В Tesla Model S установлен трёхфазный асинхронный двигатель переменного тока. Прелесть асинхронного двигателя в том, что он не требует постоянных магнитов. Но есть и недостатки такого решения: в двигателе Tesla используется дорогостоящий и сложный в изготовлении ротор, изготовленный из меди. А благодаря особенности работы асинхронных двигателей ротор имеет тенденцию нагреваться и даже перегреваться. Тепло – это потраченная впустую энергия. В электроавтомобиле это имеет огромное значение. Асинхронный электромотор также не столь эффективен на низких скоростях, в отличие от других двигателей.
В Tesla Model S Performance установлен синхронный двигатель с постоянным магнитом впереди и индукционный (асинхронный) двигатель — сзади. У Model 3 полностью новый электромотор, который даже работает по другому принципу, нежели у «эски». Новинка получила бесщеточный двигатель на постоянных магнитах.
По словам Константиноса Ласкариса, ведущего инженера-конструктора этого мотора, переход на постоянные магниты был сделан ради удешевления производства и повышения его эффективности.
Даже в новеньком электрическом суперседане Porsche Taycan Turbo S задействованы два синхронных двигателя с постоянными магнитами, которые выдают 750 лошадиных сил и разгоняют электромобиль до «сотни» всего за 2,6 секунды.
Четыре двигателя потрясающего гиперкара Pininfarina Battista выдают более 1900 л.с., что позволяет ему «выстреливать» до ста километров в час менее, чем за 2 секунды! Конечно же, такой эффективности было бы невозможно добиться без использования постоянных магнитов в электродвигателях гиперкара.
Ну хорошо, электродвигатели на постоянных магнитах более эффективны (а значит, энергия из аккумуляторов меньше переходит в тепло и производит больше полезной работы). Электромоторы на постоянных магнитах также не столь требовательны к охлаждению, как асинхронные двигатели. Давайте же мы будем использовать их! Не всё так просто. Тут-то мы и упираемся в рамки, и дело именно в постоянных магнитах.
Сначала о магнитах
В основу работы современного электродвигателя положен принцип электромагнитной индукции — явления, связанного с возникновением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока. Постоянные магниты из сплава железа, неодима и бора с очень небольшим содержанием диспрозия и иногда тербия наиболее эффективны, их ещё называют «супермагниты».
Что же это за химические элементы? Это редкоземельные элементы (ну, кроме железа, конечно же). Редкоземельные – означает, что их не так уж и много. Эти элементы редко встречаются в земной коре (содержание (1,6-1,7)⋅10−2% по массе).
Например, примерный химический состав магнитов NdFeB:
Nd (неодим) – 15,7%
Pr (празеодим) – 17,3%
Fe (железо) – 58%
B (бор) – 1,1%
Co (кобальт) – 3,8%
Dy (диспрозий) – 3%
Al (алюминий) – 0,5%
Nb (ниобий) – 0,5%
Cu (медь) – 0,1%
А теперь об аккумуляторах и прочей электронике
Литиевые аккумуляторы так же содержат редкоземельные элементы. Аккумулятор одной только Toyota Prius содержит около 10 килограммов лантана.
В магните большого ветряного двигателя — не менее 260 килограммов неодима. Также редкоземельные металлы используются при производстве солнечных панелей, экранов от телефонов до телевизоров, полупроводников типа микросхем и прочих светодиодов, и много где ещё. В-общем, редкоземельные элементы нужны сейчас везде. Вы окружены ими в быту постоянно.
Как и где добывают редкоземельные элементы?
Среди лантаноидов неодим находится на втором месте по распространённости. В земной коре его находится рекордное количество, оно превышает даже долю лантана, и составляет 25—37 грамм на тонну. Чтобы получить неодим, производители используют металлотермию — это достаточно простой и доступный способ получения элемента. Еще одним способом является электролиз, который проводится над расплавленными солями. Основным добытчиком и производителем данного материала является Китай.
Так сложилось, что в Китае сосредоточены 48 процентов всех мировых запасов редкоземельных металлов. Кроме того, именно Китай обладает передовыми технологиями добычи и производства редкоземельных металлов. Китай не только добывает более 90% всех РЗЭ в мире, и почти 100% таких особо редких металлов, как диспрозий и тербий. Ещё Китаю принадлежат 87% рынка легких и 99% рынка тяжелых РЗЭ.
Развитие и разработка новых рудников в США, Индии, Шри-Ланке, Малайзии и других странах только планируется.
В настоящий момент именно Китай добывает и производит почти все необходимые для производства мощных магнитов и аккумуляторов редкоземельные элементы.
О «зелёной» энергетике и редкоземельных элементах
При производстве каждой тонны редкоземельных металлов в виде отходов остаются 8,5 кг фтора и 13 кг пыли. А использование техники обесфторивания при высоких температурах с применением серной кислоты в обработке РЗЭ порождает 9600–12000 кубических метров отработанного газа, в котором содержится пыль, фтороводородная кислота, диоксид серы, серная кислота, а также около 75 кубометров кислотных жидких отходов и примерно тонна радиоактивных отходов.
Синди Херст
Во-первых, производство РЗЭ загрязняет сточные воды настолько, что это наносит ущерб сельскому хозяйству и простым людям в их повседневной жизни. Во-вторых, добыча одной тонны РЗЭ в результате приводит к производству и 2 тыс. тонн отвала (шахтных отходов). В-третьих, радиоактивный торий сбрасывается в Хуанхэ, которая впадает впадает в Жёлтое море, воды которого соединяются с Тихим оеканом. Кроме того, из Жёлтой Реки набирают воду для питья примерно 150 млн. человек.
На фото – трубы, которые выходят из завода по выплавке редкоземельных металлов, выливают отходы в реку рядом с деревней Циньюань. Завод принадлежит корпорации Baogang, которая не заботится о том, чтобы переработать отходы, оставшиеся после плавления металлов. Производство РЗЭ загрязняет сточные воды. Воздух и вода вблизи завода отравлены и угрожают жизни и здоровью местного жителей, не говоря уж о природе.
Вот такие экологически чистые технологии у нас получаются и вот чего стоит нулевая эмиссия углекислого газа в городах. Сами посчитайте, во сколько раз больше понадобится редкоземельных металлов, чтобы заменить автопарк с ДВС на электромобили.
А ведь это – только производство электромобилей, без генерации электроэнергии. Для того, чтобы запитать электрический автопарк, человечеству придется нарастить выработку электроэнергии на треть (по самым грубым прикидкам).
Себестоимость 1 кВт электроэнергии с ветряков в десятки раз выше, чем на тех же ГЭС или АЭС. А если вспомнить, что ветер дует не всегда…
Кроме того, чтобы перестать сжигать углеводороды для генерации и перейти на «зелёные технологии» вроде ветряных электростанций и солнечных панелей, придётся опять же использовать редкозмельные металлы для их создания. Помните же о сотнях килограммов неодима в каждом мощном ветряке?
Такие вот рамки возникают, когда заходит разговор о «зелёной» энергетике и редкоземельных элементах. И это мы ещё даже не затрагивали вопрос переработки и утилизации аккумуляторов, которые выработали свой ресурс.
