Поедем на водороде? Как обстоят дела с самыми экологически чистыми электромобилями

Продажи электрокаров растут, даже несмотря на пандемию COVID-19. Так, за 2020 год было реализовано 3,1 млн штук по всему миру — их доля в общем объеме составила почти 5% против 2,5% в 2019 году. При этом 2,2 млн пришлось на экологически чистые электромобили и более 900 тыс. — на подзаряжаемые гибриды (PHEV).

Но по-прежнему 95% проданных машин оснащено двигателями внутреннего сгорания. Дело в том, что нерешенными остаются ключевые вопросы, связанные с емкостью батареи (и соответственно, пробегом автомобиля), длительностью зарядки, инфраструктуры… И главная проблема — откуда мы получаем электроэнергию для такого автомобиля?

В большинстве случаев она вырабатывается на тепловых электростанциях — за счет сжигания топлива. Выходит, мы просто обманываем сами себя: экологические проблемы не решаются, а просто переносятся из "чистых" городов, где бегают электромобили, в районы, где добывают нефть, газ, уголь, и сжигают их.

На этом фоне ведущие автопроизводители продолжают осваивать проекты, основанные на использовании водорода как топлива.

Разобраться в терминах

Для начала обозначим: водородомобиль — это в любом случае электромобиль, потому что его приводит в движение электромотор. Просто электроэнергия получается не из розетки, а в ходе химической реакции с водородом. Эта реакция проходит внутри ячеек топливных элементов, куда подаются водород и кислород. Так получается электричество, которое передается на электромотор и приводит в действие колеса и все остальные системы. Отмечу, что реакция происходит без процесса горения, а "выхлоп" представляет собой безвредный водяной пар, что вполне вписывается в концепцию "нулевого выхлопа".

Мир получит и другие плюсы в случае распространения электроводородных автомобилей. Например, освобождение от технического обслуживания в нынешнем понимании. Ведь менять масло, другие технические жидкости, как сейчас в двигателе внутреннего сгорания или трансмиссии, не придется. Не нужны будут и свечи, системы охлаждения, нейтрализации отработанных газов и многое другое. Уйдет в прошлое тяжелый и дорогой аккумулятор, цена которого сегодня составляет треть, а то и половину стоимости электромобиля. Теоретически все это положительно скажется как на стоимости эксплуатации, так и на экологии.

По эффективности бензин, дизтопливо или любая современная батарея, как говорится, с водородом и рядом не стояли — 1 г водорода дает в три раза больше энергии, чем 1 г бензина. От этого многократно выше и стартовый крутящий момент, увеличен запас хода, а выброс СО₂ и тяжелых металлов равен нулю. Вместо серы и окислов азота в атмосферу улетают кислород и водяной пар. Кроме того, водородные двигатели практически бесшумны.

Где добывают водород?

Чтобы электроводородомобиль поехал (буду обозначать его как ЭВМ), должна произойти химическая реакция, соответственно, для этого его нужно заправить водородом. Но прежде же этот водород откуда-то необходимо взять — в чистом виде в природе водород не встречается, его нужно получить с помощью химических реакций. Распространенный сегодня способ (кстати, относительно экономически выгодный) — выделение его из воды (пара) в процессе сжигания природного газа при высокой температуре (700–1000 ºС) и под давлением. Правда, при этом выделяется вредный углекислый газ. Словом, не просто этот способ назвать высокоэкологичным.

Увы, полностью экологичных способов производства водорода пока разработано не так много. А те, что есть, чудовищно дороги. Так, даже "промышленный" водород примерно в три раза дороже бензина. Хотя за последние 15 лет за счет разработки новых технологий уже удалось снизить его стоимость на мировом рынке с $250 до $30 за литр — это далеко не предел.

Также из нелицеприятных сторон водорода можно назвать то, что он считается очень взрывоопасным, ведь давление газа в баллоне достигает 700 атмосфер, а для поддержки жидкого состояния требуется температура ниже –250 ºС. Правда, кроме впечатляющих цифр сжатия и повышенной летучести он ничем не отличается от других газов, включая пропан, бутан, метан, кислород и азот, но ведь научились с ними работать. Так что водород нужно рассматривать как обычное газомоторное топливо, отличающееся (от пропана и метана) только чистотой выброса, энергетической мощностью и более низкой ценой (в перспективе).

Сегодня в мире уже находят неплохие ответы на тревожащие вопросы относительно водорода. Например, последние исследования показывают, что более эффективно его хранить в гидридах (соединениях водорода с другими химическими элементами). В связи с чем разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния — сплавы поглощают водород в больших количествах и освобождают его при нагреве (очень похоже на замерзшую воду в поролоновой мочалке). По сути, водородный бак, образно говоря, становится электрической батареей, которая в 100 раз эффективнее самой современной литиевой.

"Конечно, есть проблемы технические, количество специальных водородных заправок очень невелико, такое топливо пока остается дорогим. Но специалисты говорят, что эти задачи уже чисто инженерного характера и решить их можно будет примерно за пять лет", — уверяет доктор экономических наук, основатель группы компаний "Автотор" Владимир Щербаков.

На чем поедем?

Говорят, что количество "водородных" АЗС в Европе растет довольно быстро. Хоть потребителей этого топлива совсем мало, да и пока имеются все же проблемы с техникой безопасности. Ведь не будем забывать, что он взрывоопасен и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что тянет за собой удорожание и усложнение создания водородных заправок.

Первые "водородные" АЗС в Германии появились лет 15 назад. Сейчас же в ФРГ работает около 100 таких заправок, а к 2023 году их число должно вырасти до 400 и более. Стоимость соответствующего проекта оценивается свыше €400 млн — по миллиону на каждую АЗС. Большую часть средств инвестируют фирмы Toyota, Honda, BMW, Volkswagen и Daimler. Например, в Японии таких АЗС уже около 200.

Увы, в России работает пока только одна водородная заправка (и то в тестовом режиме) — в Подмосковье, в Черноголовке, на территории одного из НИИ. При этом по итогам прошлого года у нас в российском автопарке числился также всего один легковой автомобиль с водородными топливными элементами (не российского производства).

В целом же эксперименты с водородной темой в автосфере начались еще в прошлом веке. Все ведущие автопроизводители начали разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах. Между прочим, занимались этой темой и на нашем "Автовазе". Направление называлось АНТЭЛ — "автомобиль на топливных элементах".

Помню даже "Ниву" и универсал ВАЗ-2111, которые возили по разным выставкам. Но тема эта в Тольятти уже несколько лет как закрыта. А жаль! Ведь в мире уже серийно выпускается несколько моделей.

Первенцем стала модель Toyota Mirai, которую в Японии продают с конца 2014 года, в США и Европе — с конца 2015 года. На сегодняшний день это самый распространенный в мире ЭВМ, который выпускает уже второе поколение модели. Основным рынком сбыта являются США, но продается ЭВМ также в Европе, Японии и Канаде.

Правда, очень популярной модель не назовешь, даже если учитывать, что существуют очень серьезные дотации для покупателей со стороны производителя (компенсирует государство). Цена Toyota Mirai в США стартует с отметки $58 тыс., при этом покупатель получает на депозит $15 тыс. на заправку водородом (эти деньги надо потратить в течение трех лет). По данным 2020 года, выпущено и продано по всему миру около 6 тыс. штук Mirai.

Модель другого японского концерна, Honda Clarity, продается с 2016 года. В ход машину приводит электродвигатель мощностью 174 л.с. Водород хранится в баке под давлением 690 атмосфер. По разным данным, на одной заправке можно проехать от 500 до 750 км. Депозит на заправку такой же — $15 тыс.

В Южной Корее выпущена опытная партия водородных кроссоверов Hyundai Nexo (около тысячи штук). Есть перспективные модели и у немцев — Mercedes-Benz GLC F-Cell и BMW X5 i Hydrogen Next. Прошлым летом первый в мире тяжелый грузовик на водородных топливных элементах начал продавать Hyundai. Выпуск автобуса и грузового фургона освоила в Китае компания Foton.

Таким образом, сейчас по дорогам мира движется уже несколько тысяч автомобилей на водородном топливе. Но повторю, что спрос на такую технику весьма ограниченный. Причины понятны: высокая цена и ограниченность поездки из-за малого количества АЗС. Есть проблемы и с эксплуатацией в холодном климате (конкретно — с холодным пуском). Производители новейшего Hyundai Nexo, например, обещают беспроблемный пуск только при температуре выше –6 ºС. Но эти проблемы, думаю, через несколько лет уже решат.

Есть пророки в своем отечестве

В России сегодня нет никакого официального документа, в котором бы определялось отношение государства к автомобилям с альтернативными источниками (в том числе на водородных элементах). Несколько лет назад в Министерстве промышленности и торговли подготовили общую концепцию развития автопрома. Но, по мнению многих специалистов, она устарела еще до ее утверждения в 2018 году.

Сейчас, по разной информации, целых три ведомства пишут новые концепции развития в нашей стране транспорта на альтернативных видах топлива (Минэкономразвития, Минпромторг и Минэнерго), и даже мелькает цифра — сколько надо будет потратить в итоге: порядка триллиона рублей.

Так, министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров в недавнем интервью ТАСС пообещал, что в России начнут производить машины на водородных топливных элементах уже в 2024 году. По его мнению, первыми водородными транспортными средствами, которые начнут собирать в нашей стране, станут автобусы.

Такой выбор не удивителен, ведь в декабре 2020 года президент РФ Владимир Путин поручил начать производство городского транспорта на водородных элементах, правда, к 2023 году. Тогда руководители "Камаза" сразу отрапортовали, что конструкторские разработки уже ведутся.

Также заместитель министра промышленности и торговли Михаил Иванов пообещал, что в период с 2025 до 2030 года в России построят до 1,2 тыс. заправок для водородных автомобилей.

Сложно оценить реальность таких заявлений, ведь очень мало информации о том, как далеко продвинулись наши ученые из военно-промышленного комплекса в разработке элементов хранения водорода; не ведаем, что за наработки по промышленному (и экологически чистому) получению водорода есть у российских ведущих нефтегазовых компаний.

"Главная проблема — это не отсутствие научных и инженерных кадров, новых разработок в стране. В том числе на водородных элементах. Проблема в том, что правительство не ставит задачу к 2025 году, например, освоить серийное производство электромобилей. Ни на обычных элементах, ни на топливных, ни в действующей концепции, ни в программе развития автопрома, ни в специнвестконтрактах (СПИК) с автопроизводителями до 2030 года такой цели нет, — объясняет Владимир Щербаков. — Вместо серьезного обсуждения, что и как нужно сделать, чтобы занять достойное место в мировой гонке, все друг другу объясняют, почему электродвигатель для России не подходит. Одни доказывают, что электробатареи слишком дорогие и запас энергии может обеспечить только небольшой пробег. Но как-то при этом забывают, что Россия — один из главных в мире обладателей ресурсов, из которых эти батареи изготавливаются: лития, магния, кадмия, железа, титана, редкоземельных металлов. И просто стыдно не создать лучшие технологии их переработки".

Но, похоже, разработки в стране действительно идут. На днях объявили, что совсем скоро, в начале 2022 года, будут запущены в эксплуатацию водородные электромобили на базе "ГАЗели Next". Но — в Германии. Проект реализуется с 2019 года совместно с немецким партнером "Группы ГАЗ" — компанией ElektrofahrzeugeStuttgart (EFA-S). ЭВМ создается на шасси "ГАЗель Next" полной массой 4,6 т с двухрядной кабиной. Запас хода у такого автомобиля, как обещают, будет достигать 500 км.

Почему же отечественный производитель технику, разработанную по собственной технологии, производит за рубежом? Ответ выше — отсутствие четкой концепции на верхах.

Однако, если честно, несмотря на то что работы по созданию автомобилей на альтернативных видах топлива в мире ведутся давно, до сих пор у инженеров и других специалистов нет четкого понимания, как в будущем будет выглядеть автомобиль и на каком источнике энергии он поедет. В Honda, например, делают ставку на водород, а в Toyota разрабатывают как обычные электромобили, так и ЭВМ. При этом не спешат отказываться и от привычных ДВС, совершенствуя их. В то время как многие их коллеги из европейских компаний уже объявили, что больше двигателями внутреннего сгорания принципиально заниматься не будут.

Спросил ли при этом кто-то конечного потребителя — что ему надо? Ведь ему все эти высоконаучные споры неинтересны. Его, может, вполне устраивает автомобиль с ДВС — простой, надежный, недорогой, с пробегом не в 200 км, а в тысячу. А привлечь внимание автомобилиста туманными "экологическими перспективами" без экономической выгоды и комфортной эксплуатации — задача крайне труднодостижимая. Разве что предложить большие дотации (за счет его же налогов, между прочим)?

Водородные автомобили

Публика уже привыкла к борьбе за популярность гибридов, машин с ДВС или электрокаров. Последние пока что занимают самую выгодную позицию, а может ли появиться еще кто-то эффективнее и экологичнее? Тогда стоит вспомнить о транспорте на водородном топливе. Такие машины очень похожи на электрические авто отсутствием вредных выхлопов, однако главное достоинство в заправке — для наполнения баллона водородом до отказа нужно около 10 минут, а хватит горючего на дистанцию в 500 км. Кажется, намного выгоднее, чем электромобиль, однако так ли это на самом деле?

История водородных автомобилей

Еще в 1990-х годах производители углубились в разработку транспортных средств, которые передвигаются на топливных элементах. Основная причина поиска альтернативного горючего — введение новых стандартов выбросов CO2 и энергетический кризис. Единственные экологически чистые автомобили того времени — электрокары, имели несколько ограничений: длительная зарядка аккумулятора, небольшой запас хода, дорогостоящие комплектующие. В итоге компании начали искать другой способ привести машину в действие.

В качестве основного топливного элемента выбрали водород. Химические свойства, экологичность и распространенность в окружающей среде подтолкнули инженеров к мысли, что работа с этим веществом может принести доход и внушительные перспективы. Водородные машины должны были проезжать такие же дистанции, как и бензиновые аналоги, с той же мощностью и скоростью. Однако основная сложность была в другом — как изготовить необходимый двигатель и направить энергию топливного элемента в правильное русло?

Оказывается, первый ДВС на водороде был придуман еще в позапрошлом веке. Большинство экспертов склоняются к исследованиям французского естествоиспытателя Франсуа де Риваз, который в начале XIX века получал водород электролизом воды. В современном мире крупные производители почти одновременно выпустили водородные автомобили с похожей базовой технической “начинкой”.

Принцип работы автомобилей на водородных элементах

Механизм работы и типы моторов очень похожи на деятельность электромобилей, но главное отличие в способе создания энергии. Машины на топливных элементах тоже используют электричество для движения, но получают его не от заряда розеткой. Энергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций, которые происходят в самом агрегате. Принцип работы состоит в следующем:

• автомобиль заправляется водородом, который контактирует с кислородом и катализатором. В результате вырабатывается электрический ток, который насыщает энергией двигатель и батарею.

Подобный транспорт заправляют на специальных станциях, которые самостоятельно вырабатывают водород с помощью электролиза воды. Обслуживание автомобиля означает замену водородных элементов, которые исчерпали свой ресурс. Обычно заменяют катализаторную мембрану, которая помогает вырабатывать электричество.

Преимущества использования автомобилей на водородном двигателе

• Расширение продукции. Разработка и производство прототипа может обойтись в 1 млн долларов. Если создавать концепт для автовыставки, то такое транспортное средство не обязательно должно ездить. Для крупных автомобильных концернов эта сумма небольшая, но какой может быть результат. Вполне возможно, что через пару лет водородные технологии будут на высоте.

• Неисчерпаемость. Мировой океан содержит 1,2×1013 тонн водорода, при этом суммарная масса элемента — 1% от общей массы планеты. Однако самое главное достоинство водорода в том, что при сгорании он превращается в воду. Происходит круговорот веществ в природе.

• Экологичность. Когда водород используется в качестве топлива, то не происходит парниковый эффект (в результате выделяется вода). Водород быстро улетучивается и не создает никаких застойных зон.

• Безопасность. Весовая теплотворная способность элемента в 2,8 раза выше, чем у бензина. А это значит, что водород воспламеняется в 15 раз меньше, чем углеводородное горючее.

Недостатки владения водородными автомобилями

Рассмотреть минусы транспорта на топливных элементах можно на примере первого массового водородного авто Toyota Mirai. Как оказалось, у машин подобной модификации, есть и темная сторона.

• Стоимость. Сегодня японский автомобиль на водороде продается почти за 70 000$ в среднем, а это цена базовой версии Tesla Model S в США. Toyota Mirai дороже Chevrolet Volt или Toyota Prius в 2-3 раза. При этом компания еще и теряет доход, поскольку инсайд-информация указывает на реальную стоимость автомобиля в 100 000$. Еще один водородный автомобиль Hyundai Tucson (iX35) Fuel Cell вышел совсем недавно лимитированной серией. Модель оценили в 144 000$.

• Заправка. Сегодня 1 кг водорода стоит почти 8$, а если брать расход 1-1,3 кг на дистанцию в 100 км, то стоимость поездки можно сравнить с движением на бензиновом автомобиле. Гибридный или дизельный агрегат будет даже выгоднее. В это время на 100 км на электромобиле можно потратить меньше 2$. При этом водород труднодоступен. Даже в мегаполисах не так легко найти подходящую заправочную станцию. Все потому, что этот бизнес и не очень выгодный. Для строительства небольшой водородной АЗС необходимо почти 300 000$, а для станции среднего размера — 2 000 000$. Небольшая заправка может заправить за сутки около 30 машин, а на большая почти 250 агрегатов. Это небольшие цифры при затратах на содержание подобных станций. Еще существуют и крупные АЗС, но они могут обойтись в 10 000 000$. Такие предприятия строятся рядом с заводами по выработке водорода, или же на станции должно быть большое хранилище. Все это сложное и дорогое строительство.

• Габариты и вес. Модель на топливных элементах Toyota Mirai имеют длину 4900 мм и вес в 1850 кг, вместимость до 4 пассажиров и багажное отделение в 361 л. Параметры указывают на то, что водородное авто тяжелое и не особо просторное. Лишний вес образуется из-за сложной конструкции: топливные ячейки, электрический преобразователь и дополнительный аккумулятор. Небольшой салон получается из-за массивных баллонов для водорода. Ситуация с электромобилем немного легче — хотя и присутствует крупная АКБ, зато конструкция проще.

Каковы будущие перспективы FCEV?

Идея использовать двигатели на топливных элементах потихоньку развивается не только в умах производителей, но и на деле. Особенно радужные перспективы применения водородных моторов для общественного транспорта. В Германии ездят сотни городских и туристических автобусов на водороде. В 2017 году был анонсирован выпуск первого поезда на водородном топливе, который сможет заменить дизельные составы.

Однако многие эксперты считают, что когда будет придуман способ быстрой зарядки электромобиля, то водородные машины могут отойти на второй, или даже третий план. Все дело в том, что решение всех проблем, связанных с транспортом на водороде займет намного больше времени, чем строительство сверхбыстрых станций. Первая такая “заправочная” станция появилась в США в 2017 году, а в 2018 году несколько предприятий должны открыться в Европе. Но пока станции для электрокаров не так быстро распространяются, водородные автомобили набирают популярность.

Источник https://tass.ru/opinions/11935681

Источник https://elektro-mobili.ru/type/hydrogen/

Источник

Источник