Новая машина на водороде
Сам себе генератор
Пока страны «Большой семерки» (G7) на саммите в Великобритании обсуждают возможность отказа от автомобилей на ДВС и переход к использованию экологичного транспорта, ситуация в России практически не меняется. Доля электромобилей на внутреннем рынке нашей страны невелика. В 2020 году в России продали всего 687 электрокаров. В это же время новых автомобилей на бензине было продано чуть около 1,5 миллиона. И ни одного автомобиля на водороде, сообщил ученый.
Если в случае с батарейным электротранспортом уже можно говорить об ощутимом удешевлении производства, то с водородным дела обстоят иначе. В исследовании «Петромаркета» говорится, что сейчас стоимость легкового автомобиля на водороде в Европе превышает цену батарейного аналога на 60 процентов. Однако в будущем, считает эксперт, эта разница будет уменьшаться во многом за счет удешевления производства водорода и совершенствования технологий. Так, ожидается, что к 2050 году разница в цене между электрическим и водородным грузовиками составит всего 12 процентов.
А вот вопрос развития инфраструктуры стоит довольно остро для обоих видов транспорта. Здесь «первую скрипку» играет государство. Перманентное развитие напрямую зависит от того, как быстро власти реагируют на меняющиеся запросы рынка и насколько они понимают важность процесса экологизации. Например, водородную зарядку установить тяжелее. Требуется введение стандартов транспортировки топлива, настройка логистических процессов, соблюдение повышенных требований безопасности. К непосредственной работе по созданию инфраструктуры, считает Сергей Иванов, необходимо подключать и бизнес, которому государство может создать благоприятные условия для развития. Так работает технологический процесс в развитых странах, сработает и у нас. Необходимо определить нормы, стандарты, ГОСТы. Установить льготы для стартового периода. Ведь на данном этапе развития электротранспортные технологии все еще дороже ДВС решений. Включенный в процесс представитель бизнеса должен быть уверен, что его вложения будут иметь экономическую целесообразность, а государство, что бюджетные затраты будут возвращаться в виде налоговых поступлений.
В будущем электротранспорт будет продолжать стремительно дешеветь, этого не избежать. Однако не стоит ждать абстрактного «завтра». Ведь экономическую выгоду от масштабирования водородного и батарейного электротранспорта можно получать уже сейчас, особенно в коммерческом сегменте.
Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах
В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.
Когда появились первые автомобили на водороде?
Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).
Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.
Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.
Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.
В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.
На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.
А где брать водород?
Водород можно получать разными методами:
При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.
Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.
Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.
Источник
Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.
Как работает топливная система и какие есть варианты?
Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.
На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.
Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.
В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.
Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.
По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.
Такие автомобили опасны? Почему?
Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.
Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.
Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.
Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.
Какой срок службы у топливных ячеек?
Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.
Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?
Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.
В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.
Сколько это стоит?
Чем водородные авто лучше электромобилей?
Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.
Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.
Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.
Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?
Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.
Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.
Водородные АЗС в 2019 году(источник)
Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.
Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.
Водородный автомобиль. Обзор серийных моделей и перспективных концептов
Водородные автомобили начали массово появляться на рынке относительно недавно. Основная причина — экологически-коммерческая. С одной стороны, по всему миру регулярно вводят новые экостандарты, с другой — производителям классического транспорта с ДВС необходимо бороться за уже формирующийся рынок альтернативного, безопасного для природы транспорта.
Совет Hydrogen council дал прогноз, что к 2050 году «водородный рынок» заберет 18 % от уровня общего спроса на электроэнергию, а количество транспортных средств, использующих водород, превысит 425 миллионов. Попробуем разобраться с тем, какие модели представлены на рынке на текущий момент и что может появиться в ближайшем будущем.
Серийные модели водородных автомобилей
На рынке присутствует 10 серийных «водородников», в кратком обзоре мы разберем самые популярные модели.
Hyundai ix35 FCEV
Южнокорейский производитель выпускает модель, которая способна преодолеть почти 600 км на одной зарядке. Потребуется 5,64 кг водорода. Мощность силового агрегата — 134 л. с. Предельная скорость — 160 км/ч, разгон до «сотни» занимает 12,5 сек.
Hyundai Nexo
Вторая модель производителя, на наш вкус, более привлекательна визуально. Она была представлена 07.01.2018 г. в Лас-Вегасе. У Nexo запас хода на 200 километров больше, а мощность двигателя — на 29 «лошадок». Кроссовер оснащен силовым агрегатом, мощность которого составляет 163 л. с. Модель способна преодолеть почти 800 км на одной зарядке, достигать скорости до 150 км/ч и разгоняться до первой «сотни» за 9,5 секунд.
Вариантов комплектации два — Модерн и Премиум.
Honda Clarity и Clarity2
Седан D-класса был представлен широкой публике в Лос-Анджелесе, в конце осени 2007. Продажи в США, Европе и самой Японии начались следующим летом. 136 л. с. двигателя позволяют разогнать седан до «сотни» за 10 сек. Самая высокая скорость передвижения — 161 км/ч. 4,1 кг водорода хватает, чтобы преодолеть без заправки путь в 450 км.
Toyota Mirai
В конце осени 2014 автоконцерн презентовал четырехдверный серийный автомобиль-гибрид, а его продажи стартовали в Японии в конце года. В октябре 2019 появились автомашины второго поколения, поступившие в продажу летом 2020.
С полным баком седан способен проехать чуть больше 480 км. Двигатель Mirai дает возможность развивать скорость в 175 км/ч и за 9 секунд достигать отметки в 100 км/ч.
Интересные концепты гибридов
Автотехнологии постоянно совершенствуются, что позволяет автопроизводителям создавать диковинные концепт-кары. Мы решили отобрать следующие транспортные средства будущего:
Перспективы развития водородных авто и препятствия на этом пути
По аналогичному пути движется и Япония. На данный момент потребление водорода в стране достигло 4 тыс. тонн. Предполагается его рост к 2030 году до 300 тыс., а к 2050 — 15 млн тонн! Количество заправок вырастет до 320 единиц в 2025 году. Это даст возможность обслуживать автомобили в количестве 180/800 тыс. в 2025–2030 годах. К 2030 ожидается ввод в эксплуатацию и 1200 автобусов.
Западная Европа немного отстает, но и здесь для внедрения водородной энергетики используются программы H2ME и HyFive. Самые активные страны — Германия и Дания.
Серьезное препятствие — невозможность обеспечения многими ведущими странами водородом в требуемых объемах. Поэтому потребуются его поставки из Африки и Австралии. Здесь прекрасные условия для производства. Поэтому Германия заключила договор с Марокко на постройку фабрики для добычи чистого водорода. У немцев есть соглашение и с Нигерией. В этой стране предполагается получение водорода из возобновляемых источников энергии.
Компания «Кавасаки» вложила 338 млн долларов в проект по добыче водорода из бурого угля/лигнита в Австралии, в штате Виктория. Первые поставки в Японию ожидаются в 2021 году.
Компания Neoen из Франции создаст в городе Кристал Брук (Ю. Австралия) суперцентр. Для производства водорода будут использоваться ветровые и солнечные установки с мощью в 300 МВт. Суточная норма предполагается в пределах 20–25 тонн.
Сильные и слабые стороны водородных автомобилей
Проблемы инфраструктуры и добычи топлива
Заправочных станций пока маловато, не более тысячи во всем мире. Однако с каждым годом их количество растет. Если в 2018 в мире возвели 48 заправок, то в 2019 их было установлено уже 83.
Сеть продолжает развиваться: по итогам 2019 года, в Азии функционировало 178 водородных АЗС. Лидеры:
В Европе в конце 2019 года работало 177 станций. Они расположены в:
До конца 2020 года Германия планировала открыть еще 100 водородных АЗС, Франция — 34, Швейцария — 6. Добавим сюда и Нидерланды — 21.
Отметим, что строительство станций спонсируется не только концерном «Тойота», но и другими автопроизводителями, предполагающими применение технологии будущего:
Станции строятся с использованием единого стандарта, что облегчит жизнь обладателям водородных автомобилей.
Поведем итоги. Да, производство затратное, и есть сложности при создании сетей заправок. Но запасы традиционного топлива когда-то иссякнут, и альтернативные решения нужны уже сейчас. Водородный транспорт имеет такие же, если не большие, перспективы, как и электрический. Именно поэтому мировые автопроизводители уже сейчас прикладывают много усилий для его развития.
Если вы хотите быть в курсе того, что происходит в отрасли экологического транспорта мира, заглядывайте на наш сайт и подписывайтесь на Telegram-канал.
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.