В 1937 году крушение дирижабля Гинденбург перечеркнуло будущее водорода для использования в транспортных целях. Но теперь, спустя многие десятилетия, вновь начал просыпаться интерес к водороду, особенно в контексте его использования в автомобилях. Поговорим не о недостатках водородных автомобилей, а об их устройстве и темпах создания условий для эксплуатации подобного транспорта.
Источники водорода
Идея перевести наземный и воздушный транспорт на водородное топливо не нова, первые разработки в этом направлении велись еще в XIX веке, но из-за слаборазвитых технологий, отсутствия острой проблемы глобального потепления и недостаточной автомобилизации, человечество только сейчас заинтересовалось возможностью использования водорода в качестве основного топлива для различных средств передвижения.
Все было бы хорошо, если, по аналогии с нефтью и газом, водород встречался бы в природе в чистом виде. Парадокс в том, что хотя водород и является самым распространенным химическим элементом во всей Вселенной, в природе не существует открытых месторождений, из которых можно было бы беспрепятственно добывать водород. В то время как углеродное топливо относительно легко добыть и оно нуждается в минимальной обработке, с водородом все гораздо сложнее: в мире есть только два более-менее эффективных способа производства H2: “оторвать” водород от молекул кислорода либо отделить его от молекул углерода.
Как автомобиль работает на водороде
Машины, работающие на водороде, называют Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV), на автомобильном рынке уже представлено несколько подобных решений. О конкретных моделях речь пойдет немного позже, сперва следует остановиться на устройстве автомобильной водородной установки. Она имеет так называемый топливный элемент (электрохимический генератор), являющийся своеобразной “батарейкой”, в которую поступает водород, после чего он окисляется и в результате на выходе мы имеем чистый водяной пар с нулевым содержанием углекислого газа. В остальном здесь все практически так же, как в обычном электромобиле, но в случае с водородной установкой используется куда более компактная батарея – емкость литий-ионного аккумулятора в водородных автомобилях в 10 раз меньше, поскольку он применяется только для холодного старта и буферизации энергии, полученной при рекуперативном торможении.
Батарея необходима и потому, что главный источник энергии – блок топливных элементов – переходит в рабочее состояние не сразу, а спустя какое-то время после старта. Первым прототипам требовалось до полутора часов, чтобы начать превращать водород и кислород в водяной пар и электроэнергию. Современные же автомобили на водородной тяге выходят в рабочий режим менее чем за 2 минуты, однако прогрев до температуры, при которой КПД установки доходит до 70-90 процентов, занимает от 15 минут до часа в зависимости от температуры окружающей среды. Водород общей массой 5 кг хранится в специальных баллонах, на заправку которых уходит в среднем 3 минуты. Дальность хода на таком объеме топлива достигает 500 км.
Желающие приобрести FCEV сегодня могут выбрать Toyota Mirai (58 тысяч долларов) либо Honda FCX Clarity (от 33 тыс. 400 долларов). Впрочем, это только самые распространенные модели, помимо них выпускаются ограниченные серии Mazda RX-8 Hydrogen, Audi A7 h-tron, Hyundai Tucson FCEV, BMW Hydrogen 7, Ford E-450 и даже автобусы Man Lion City Bus. В свободной продаже эти автомобили можно найти в США, Западной Европе и некоторых азиатских странах.
Грязная добыча водорода
Большая часть производимого водорода добывается с помощью паровой конверсии метана – это самый быстрый и дешевый способ, в ходе которого молекулы метана многократно подвергаются воздействию высоких температур и катализаторов, в результате чего они распадаются на угарный газ и водород. Поскольку для такого производства необходимо использовать ископаемые виды топлива, мы все так же загрязняем атмосферу выбросами CO2, как и в случае с дилеммой производства энергии для электромобилей на старых дымящих ТЭС.
Для производства водорода также применяется метод электролиза, знакомого многим еще со школьной скамьи: в этом случае нет ни нефти, ни газа – на кислород и водород распадается обычная вода путем воздействия на нее довольно большого количества электроэнергии. Казалось бы, с электролизом все должно быть хорошо, но, как уже говорилось выше, основная часть производимого сегодня электричества, генерируется “грязными” теплоэлектростанциями, массово сжигающими уголь, природный газ и мазут.
Япония – впереди планеты всей
По оценкам Hydrogen council (совет по водородным технологиям), к 2050 году мировой рынок водорода будет составлять порядка 2.5 трлн. долл., или 18 процентов от общего спроса на электроэнергию, что позволит сократить объемы вредных выбросов в атмосферу на 6 гигатонн в год. При этом в транспортном секторе количество легковых автомобилей на водородном топливе составит 400 млн., 15-20 млн. грузовых и 5 млн. автобусов. Чтобы достичь этих показателей, необходимо до 2030 г. ежегодно инвестировать 20-25 млрд. долл. в развитие водородной отрасли. Для сравнения, даже в период кризиса инвестиции в нефтегазовую отрасль составляли около 60 миллиардов долларов. В данный момент 20 стран, включая США, Японию, Германию, Южную Корею и Китай, активно занимаются развитием рынка энергетического водорода, выстраивая партнерские связи между государственным и частным секторами.
Китай планирует к 2030 году установить 1000 водородных заправочных станций, обслуживающих более 1 млн. FCEV. Кроме того, к 2025 ныне быстрорастущий город Ухань (население – около 11 млн. человек) должен стать основным водородным хабом страны, до 2020 г. там построят 20 водородных заправочных станций, которыми будут пользоваться три тысячи “водородомобилей”. К 2025 году производством водорода в той или иной степени займутся все топливные предприятия города, некоторые из них переоборудуют для работы с одним только водородом, а количество водородных заправочных станций к этому моменту может составить до 100 штук. Для осуществления задуманного, китайцам потребуется выделить 1.7 млрд. долл. инвестиций.
В Южной Корее по состоянию на 2018 год действовало всего 12 водородных заправочных станций, но за счет небольшой площади государства, любой водитель может пересечь его на одном баке водородного топлива. Впрочем, корейское министерство промышленности уже объявило о выделении 2.3 млрд. долл. инвестиций, которые пойдут на постройку 310 водородных заправочных станций по всей стране к 2022 году. Правительство Южной Кореи также намерено оказывать финансовую помощь предприятиям, разрабатывающим оборудование для водородных автомобилей, а благодаря налоговым льготам для водителей на дорогах появятся 16 тысяч FCEV.
Как и говорилось выше, наибольшую заинтересованность к водороду проявляет Япония. По данным Hydrogen Analysis Resource Center, в середине 2018 на территории Японии располагалось 94 водородных заправочных станций (это самый высокий показатель во всем мире, на втором месте Германия – 44 водородных заправочных станций).
Министерство энергетики, торговли и промышленности Японии разработало долгосрочную стратегию, нацеленную на ускоренное внедрение легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных топливных элементах и расширение сети установок для производства энергии из водорода. Глобальная задача Минэнергетики Японии состоит не только в снижении количества вредных выбросов транспорта и промышленности в больших городах, но и в уменьшении зависимости от импортируемых ископаемых видов топлива. Если говорить более конкретно, то Япония планирует увеличить потребление водорода с предполагаемых 4000 тонн в 2020 году до 300 тыс. тонн в 2030 и 10-15 млн. тонн в 2050. Что касается количества FCEV, к 2020 году в Японии их число достигнет 40 тысяч, 180 тысяч – в 2025 и около 800 тысяч к 2030. Весь этот автопарк будут обслуживать 160 водородных заправочных станций уже в 2020 и 320 водородных заправочных станций в 2025.
Помимо всего прочего, к 2030 году японцы введут в эксплуатацию 1200 автобусов на водороде. Однако Япония при всем своем желании не сможет обеспечить себя водородом в таких объемах, поэтому японское Министерство энергетики, торговли и промышленности не исключает возможность перехода страны на водород с помощью импортных поставок из Брунея, Африки и Австралии. Для этого крупные японские компании (например, Kawasaki Heavy Industries и Chiyoda Corporation) оказывают финансовую поддержку проектам по производству водорода в Австралии и Брунее.
Западная Европа хоть и отстает от Азии по темпам освоения технологий водородной энергетики, не намерена быть среди догоняющих: так, если 5 лет назад количество автобусов на водороде равнялось тридцати, то сейчас их уже 91 – да, в мировых масштабах число незначительное, но, учитывая сложность создания абсолютно новой инфраструктуры водородных заправочных станций, прогресс налицо. В отличие от Азии, имеющей какой-никакой опыт работы с водородом, европейские государства делают первые шаги по внедрению водородной энергетики.
Доказательством могут служить программы вроде HyFive или H2ME, в рамках которых строятся новые заправочные станции и вводится в эксплуатацию все больше легковых автомобилей на водороде. Самыми активными странами в этом вопросе являются Германия, где сосредоточены ведущие мировые автопроизводители, и Дания, чье правительство готовится производить водород путем электролиза морской воды с помощью чистой энергии, полученной от ВИЭ. Благодаря развитию HyFive и H2ME, у жителей Европы в обозримом будущем появится возможность путешествовать между странами без дозаправки.
США лишний раз не стоит упоминать, поскольку острый интерес к водороду там проявляет лишь Калифорния.
В итоге
Несмотря на сложности создания сети водородных заправочных станций и затратное производство, скачущие цены на нефть и газ рано или поздно вынудят человечество отказаться от ископаемых источников энергии в пользу водородного топлива. Конечно, этот процесс займет не одно десятилетие, но рано или поздно безотходная добыча чистого водорода будет налажена, запасы нефти и газа иссякнут, а климат не сможет и дальше терпеть миллионы чадящих автомобилей.
Антон Чепур, computerra.ru
