Содержание
Эксперты оценили перспективы авто на водороде в России
Технологии
11 июля 2021
В Европе назревает водородный бум. В последнее время в СМИ появляется все больше сообщений о пилотных проектах с водородом – и все чаще мелькает химическое обозначение этого газа: h3, сообщает Deutsche Welle.
Эксперты пророчат водородному топливу светлое будущее и считают автомобили с водородным двигателем главными конкурентами электрокаров.
«Водород многими экспертами считается топливом будущего. Это топливо, которое имеет более низкий углеродный след, чем традиционные нефть и газ. Но есть большие проблемы с развитием этой отрасли. Они связаны с недостаточно развитой инфраструктурой, сложностями в его хранении и транспортировки. К 2030 году мировой рынок топлива сильно изменится, поэтому чтобы быть готовыми, надо уже начинать развивать эту отрасль.
Сейчас в России эта отрасль находится в зачаточной стадии. Тем не менее, в нашей стране есть все возможности, чтобы занять эту нишу», – рассказал Сергей Суверов, инвестиционный стратег.
По словам эксперта, забота об экологии стала основным трендом в обществе на ближайшие десятилетия. Поэтому стали появляться инициативы по отказу от вредоносных для окружающей среды видов топлива. С 2018 году в ЕС уже отказались от дизельного топлива, а к 2040 году планируется полный отказ и от бензина. Это стало поводом для развития альтернативных источников энергии для транспорта – электрических, гибридных и водородных двигателей.
Если первые два типа двигателя активно сегодня используются по всему миру, то индустрия водородного топлива только начинает свое развитие. По своей сути автомобиль с водородным двигателем – это тот же электрокар, только с другим аккумулятором. Его емкость в десять раз больше, чем у литий-ионного аккумулятора. Баллон с 5 кг водорода заправляется примерно 3 минуты, а запас хода около 500 км.
В мире многие известные автомобильные бренды уже выпустили свои модели с водородным двигателем. Кроме того, водородное топливо применяется во многих других отраслях. Однако в России эта отрасль только начинает развиваться. Владимир Путин уже поставил задачу к 2023 году запустить городской общественный транспорт на водородном топливе.
Водородное топливо эксперты считают экологичным по сравнению с другими источниками энергии. Но есть ряд минусов, который замедляет развитие отрасли. Инфраструктура пока что недостаточно развита для полного перехода на водород, не налажена логистика, а также экологичность и безопасность производства этого топлива остается под вопросом.
Но у водородного топлива есть огромный потенциал. Кроме его экологичности, есть еще одно значительное преимущество – водородные двигатели долговечны. Они могут служить до 10 лет, когда электродвигатель в лучшем случае пять.
Водородные двигатели развиваются по тому же сценарию, что и электродвигатели.
Изначально к электрокарам так же относились скептично, отмечали дороговизну аккумуляторов и неразвитость инфраструктуры, но сегодня они стали таким же привычным видом транспорта, как и автомобили на бензине или дизеле. То же самое ждет и автомобили на водороде.
Поделиться:
Читайте также
Экология
Подводный фотограф рассказал о судьбоносной роли снимков дикой природы
Лес
Леса-губки: почему тайга не помогла сдержать паводки в Сибири
Главное
В мире
Япония привезла 8 000 мешков для мусора на Чемпионат мира по футболу
Биоразнообразие
Уже 2 500 мертвых тюленей найдено на берегу Каспийского моря
Переход на водород – Наука – Коммерсантъ
Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива.
Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.
Экспериментальная установка Wendelstein 7-X для исследования управляемого термоядерного синтеза. Грайфсвальд (Германия)
Фото: Getty Images
Экспериментальная установка Wendelstein 7-X для исследования управляемого термоядерного синтеза. Грайфсвальд (Германия)
Фото: Getty Images
Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.
С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки.
Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.
Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей.
Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.
Как получить водород?
Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.
«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола.
В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».
А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов.
Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.
Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.
Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии.
Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.
Голубая мечта о зеленом водороде
Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза.
75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.
Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.
Как перестать сжигать топливо
Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.
Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным.
Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи.
Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
Сколько стоит чистый воздух
В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях.
В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.
В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.
В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода.
Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.
Мария Роговая
Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технология может угрожать Tesla
Клиент заправляет автомобиль водородом на заправочной станции TrueZero в Милл-Вэлли, Калифорния. Штат тратит более 2,5 миллиардов долларов в фонды чистой энергии для ускорения продаж автомобилей на водороде и аккумуляторных батареях. Сюда входит 900 миллионов долларов, предназначенных для завершения строительства 200 водородных станций и 250 000 зарядных станций к 2025 году.
Bloomberg | Блумберг | Getty Images
Тесла и ее конкуренты на рынке электромобилей с батарейным питанием доминируют в дебатах о том, кто будет контролировать будущее автомобилей, но есть еще один вид экологически чистых транспортных технологий, проникающих в Соединенные Штаты, и он основан на наиболее распространенном ресурс во Вселенной.
Электромобили на топливных элементах (FCEV) объединяют водород, хранящийся в баке, с кислородом из воздуха для производства электроэнергии с водяным паром в качестве побочного продукта. В отличие от более распространенных электромобилей с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах не нужно подключать к розетке, а дальность хода всех современных моделей на полном баке превышает 300 миль. Они заправляются через форсунку почти так же быстро, как и традиционные бензиновые и дизельные автомобили. В то время как сами автомобили на топливных элементах выбрасывают только водяной пар из своих выхлопных труб, Союз обеспокоенных ученых отмечает, что производство водорода может привести к загрязнению окружающей среды.
Хотя количество возобновляемых источников водорода, таких как сельскохозяйственные угодья и мусорные свалки, увеличивается, большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа. Тем не менее, отдача все же меньше, чем у бензиновых аналогов.
Водородная энергетика присутствует на рынке уже много лет, но ее мощность крайне ограничена. В настоящее время в Калифорнии насчитывается 39 общественных водородных заправочных станций (еще 25 находятся в стадии разработки), а также пара на Гавайях. Теперь Восточное побережье обзаводится собственной инфраструктурой. Несколько станций запущены и работают, и еще больше находится в разработке в Нью-Йорке, Нью-Джерси, Массачусетсе, Коннектикуте и Род-Айленде.
Коммерческий успех, проблемы потребителей
Водород более популярен на коммерческом рынке. Более 23 000 вилочных погрузчиков на топливных элементах работают на складах и в распределительных центрах по всей территории США в более чем 40 штатах, в том числе на предприятиях Amazon и Walmart.
Десятки автобусов на топливных элементах используются или планируются в Огайо, Мичигане, Иллинойсе и Массачусетсе, а также в Калифорнии.
Во всем мире растет число бытовых заправочных станций водородом. Toyota и Honda объединяются с правительством Квебека для строительства водородной инфраструктуры в Монреале в этом году, и даже богатая нефтью Саудовская Аравия строит свою первую станцию.
Toyota, второй по величине автопроизводитель в мире, является крупнейшим игроком на потребительском рынке автомобилей на водородных топливных элементах в США. Его Mirai — семейный автомобиль на водородных топливных элементах — нашел 5000 покупателей с момента его представления осенью 2015 года. Расс Кобл, представитель группы Toyota по защите окружающей среды и передовых технологий, сказал, что компания ожидает увеличения продаж по мере открытия новых заправочных станций.
«Toyota уже давно утверждает, что технология водородных топливных элементов может быть решением с нулевым уровнем выбросов для широкого спектра типов транспортных средств», — сказал он.
Toyota говорит, что масштабируемость технологии водородных топливных элементов также привела к двум заявкам на технико-экономическое обоснование в Калифорнии в другой области, представляющей интерес для Tesla: грузовики с полуприцепом.
Полуприцеп Toyota Motor, работающий на водородных топливных элементах, представлен на выставке AutoMobility LA в преддверии автосалона в Лос-Анджелесе
Патрик Т. Фэллон | Блумберг | Getty Images
Honda также взяла на себя большие обязательства по использованию водорода. По словам представителя Honda Натали Кумаратне, в настоящее время на дорогах США находится около 1100 автомобилей Honda Clarity Fuel Cell. Honda предлагает в аренду только Clarity Fuel Cell в Калифорнии — она предлагает аккумуляторную электроэнергию и гибридные версии автомобиля в аренду или на продажу. Из 20 174 автомобилей Clarity, проданных или сданных в аренду в 2018 году, 624 были вариантами на топливных элементах, 948 — с электрическим аккумулятором и 18 602 — с подключаемым гибридом.
Honda и Toyota объединились с дочерней компанией Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. По словам Кумаратне, на данный момент построено два, а еще пять находятся в работе. Компания выступает за строительство станций на северо-востоке США, несколько из которых находятся в стадии разработки. «Партнерство с другими производителями водородных топливных элементов и влиятельными лицами в отрасли имеет смысл. У всех нас есть шкура в игре», — сказала она.
Hyundai, которая в настоящее время имеет 220 автомобилей на водородных топливных элементах на дорогах США, также видит рост продаж. «Мы ожидаем, что Северо-Восток станет следующим крупным регионом роста водородной инфраструктуры», — сказал Дерек Джойс, представитель корейского производителя продукции и группы передовых силовых агрегатов. Компания только что представила Nexo в США. EPA оценивает дальность пробега кроссовера среднего размера до 380 миль, что больше, чем у любого электромобиля с батарейным питанием на рынке.
По состоянию на 1 февраля в США было продано и сдано в аренду чуть более 6000 электромобилей на топливных элементах, что вдвое больше Японии, следующего по величине рынка.
Маск о водородных «дурацких элементах»
Соучредитель и генеральный директор Tesla Илон Маск назвал водородные топливные элементы «невероятно глупыми», и это не единственное негативное высказывание, которое он сказал об этой технологии. Он назвал их «дурацкими ячейками», «кучей мусора» и сказал акционерам Tesla на ежегодном собрании много лет назад, что «успех просто невозможен».
Маск нашел неожиданный источник поддержки в 2017 году, когда Йошикадзу Танака, главный инженер, отвечающий за Mirai, сказал Reuters: «Илон Маск прав — лучше заряжать электромобиль напрямую от сети». Но руководитель Toyota добавил, что водород является жизнеспособной альтернативой бензину. Председатель Toyota Такеши Утиямада сказал агентству Рейтер на том же автосалоне в Токио в 2017 году: «Мы действительно не видим враждебных отношений с «нулевой суммой» между EV (электромобилем с батарейным питанием) и водородным автомобилем.
отказаться от технологии водородных электрических топливных элементов».
Автомобильная промышленность в целом не приняла концепцию Маска о будущем «батарея или слом». Опрос 1000 руководителей высшего звена, проведенный KPMG в 2017 году, показал, что они считают, что водородные топливные элементы имеют лучшее долгосрочное будущее, чем электромобили, и станут «настоящим прорывом» (78 процентов). всего несколько минут как главное преимущество. 62% сказали KPMG, что проблемы с инфраструктурой приведут к краху рынка электромобилей с батарейным питанием.
В Калифорнии продолжаются дебаты о том, окупили ли субсидии, предложенные государством для запуска рынка топливных элементов, инвестиции, судя по ограниченному использованию заправочных станций и отсутствию прибыли. Калифорния привержена усилиям, начатым бывшим губернатором Джерри Брауном, по финансированию инициатив в области возобновляемых источников энергии, которые включали план создания автомобилей с нулевым уровнем выбросов на сумму 900 миллионов долларов и финансирование инфраструктуры зарядки электромобилей, включая 200 водородных станций к 2025 году.
Мы могли видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивают гораздо большую дальность действия.
Дэвид Антонелли
Кафедра физической химии Ланкастерского университета
GM не выпустила автомобиль на топливных элементах для потребительского рынка, но у нее есть совместное предприятие с Honda по производству блоков топливных элементов на заводе в Мичигане, сделка, которая началось в 2013 году и расширилось в 2017 году, когда обе компании заявили, что завод в Мичигане, где производятся топливные баки, сможет производить автомобили, начиная с 2020 года.0003
Ford экспериментировал с вариантами топливных элементов для своих автомобилей Focus и Fusion, а также кроссовера Edge, но не предлагает такие автомобили для продажи.
«Учитывая неуклонно растущую долю возобновляемых источников энергии, водородные топливные элементы могут сыграть важную роль в будущем», — сказал представитель Ford.
«Однако с точки зрения широкого выхода на рынок батарея в настоящее время находится в более выгодном положении, чем топливный элемент — не в последнюю очередь из-за ситуации с затратами и доступной инфраструктуры. Наша работа будет по-прежнему сосредоточена на электрификации, поскольку мы следим за прогрессом водорода. В настоящее время у нас нет планов предлагать автомобили на водородных топливных элементах».
Fiat Chrysler не продает автомобили на топливных элементах в США, но в течение 15 лет поддерживает исследования под руководством профессора Дэвида Антонелли, заведующего кафедрой физической химии Ланкастерского университета в Великобритании, которые могут снизить затраты на технологии. Его команда работает с материалом, который позволяет топливным бакам быть меньше, дешевле и более энергоемкими, чем существующие технологии водородного топлива, а также автомобили с батарейным питанием.
«Стоимость производства нашего материала настолько низка, а плотность энергии, которую он может хранить, настолько выше, чем у литий-ионной батареи, что мы могли бы увидеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивает гораздо большую дальность», — сказал Антонелли.
Технология была лицензирована для коммерческой компании под названием Kubagen, созданной Антонелли.
посмотреть сейчас
Модель автомобиля и цены на заправку остаются большой проблемой
Безопасность вызывает беспокойство, так как водород легко воспламеняется, как и бензин и литий-ионные батареи. Транспортировка водорода для использования на заправочных станциях создает дополнительные риски для безопасности — на станциях используются датчики для контроля утечек. В Калифорнии не было зарегистрировано серьезных инцидентов, а промышленный сектор транспортировал водород на протяжении десятилетий.
По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты, транспортные средства на альтернативном топливе, в категорию которых входят как водородные топливные элементы, так и электрические аккумуляторы, не более опасны, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания. Статистика NFPA показывает, что примерно каждые 3 минуты в США происходит возгорание автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
Однако самым большим препятствием может быть стоимость.
Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около $16/кг — бензин продается галлонами (объем), а водород — килограммами (вес). Чтобы представить это в перспективе, 1 галлон бензина имеет примерно такое же количество энергии, как 1 кг водорода. Большинство электромобилей на топливных элементах несут от 5 до 6 кг водорода, но проезжают в два раза больше, чем современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания с эквивалентным газом в баке, что соответствует эквиваленту бензина на галлон от 5 до 6 долларов.
По данным Агентства по охране окружающей среды (EPA), средний пробег автомобилей на водородных топливных элементах составляет от 312 до 380 миль. Их заправка из пустого места будет стоить около 80 долларов (большинство водителей не позволяют баку полностью опустошиться перед заправкой, поэтому в конечном итоге заправка обойдется в 55–65 долларов). В настоящее время эту стоимость оплачивают автопроизводители, которые предоставляют арендаторам предоплаченные карты на три года заправки на сумму до 15 000 долларов.
В Калифорнии, где цены на бензин самые высокие в стране, заправка обычного автомобиля с большим бензобаком может стоить 40 долларов и более.
Kelley Blue Book оценивает ежегодные затраты на топливо для Toyota Mirai, Honda Clarity Fuel Cell и Hyundai Nexo в 4495 долларов, что в три-четыре раза превышает стоимость бензиновых альтернатив.
«Мы понимаем, что автопроизводители не могут продолжать платить за топливо, и мы видим прямой путь к этому, но это масштабная игра, и нам нужно набрать критическую массу», — сказал Шейн Стивенс, директор и руководитель отдела разработки. сотрудник компании FirstElement Fuel, которая управляет 19 из 39 водородных заправочных станций в Калифорнии и строит 12 из 25 дополнительных станций для штата. Ближайшая цель его компании — 10 долларов за кг, что соответствует примерно 4 долларам за галлон газа. «Это хороший краткосрочный приемлемый показатель, который можно будет достичь в ближайшие три-пять лет и избавить людей от топлива, субсидируемого автопроизводителями», — сказал Стивенс.
Самая большая проблема: машины остаются дорогими. Nexo, например, является самым дорогим Hyundai, продаваемым в США, со стартовой ценой 59 345 долларов (стартовые цены на Santa Fe сопоставимого размера начинаются с 24 250 долларов). Модели на топливных элементах Toyota Mirai и Honda Clarity имеют аналогичную рекомендованную производителем розничную цену в диапазоне 59 000 долларов. Покупка этих автомобилей имеет право на государственные скидки — в Калифорнии доступна налоговая скидка в размере 5000 долларов.
Лизинг был популярным выбором потребителей для электромобилей на топливных элементах и батареях, потому что технология является новой, и первые пользователи не хотят быть привязанными к текущей модели в течение длительного времени по мере развития технологии и повышения эффективности.
Как и в случае с любой новой технологией, стоимость топливных элементов должна снизиться, если рынок будет расти и достигнет эффекта масштаба в производстве и инфраструктуре.
«Honda имеет долгосрочную приверженность водороду, но вы не можете продавать автомобили без инфраструктуры», — сказал Кумаратне.
Стивенс сказал, что если рынок может достичь «нескольких сотен тысяч автомобилей» в Калифорнии, он может быть конкурентоспособным по стоимости с бензином. Это представляет собой большой скачок по сравнению с 6000 проданных автомобилей, но большинство новых автомобильных рынков начинаются с ограниченных серий производства. Toyota заявила, что планирует увеличить производство с 3000 единиц Mirai в год до 30 000 автомобилей к 2021 году. «Это десятикратное увеличение».
«Несколько сотен тысяч автомобилей в Калифорнии — это не так уж и далеко. И это только Тойота», — сказал Стивенс. «Речь идет не о субсидировании всего роста инфраструктуры, а просто о том, чтобы помочь нам преодолеть горб, и это не за горами. Если мы доберемся до нескольких сотен тысяч автомобилей, мы действительно можем начать прекращать государственные субсидии и быть самостоятельными.
поддержание».
смотреть сейчас
Поправка: Водород — самый распространенный ресурс во Вселенной. Из-за ошибки редактирования более ранняя версия этой статьи исказила этот факт.
Автомобили на водороде — как работают автомобили на водородных топливных элементах
Прямо сейчас вы можете сесть за руль автомобиля, который не сжигает ископаемое топливо, не производит выбросов вредных веществ или парниковых газов, работает на той же химической реакции, что и ракеты, и получает в два раза больше пробега, чем Тесла.
Это называется транспортное средство на водородных топливных элементах, но если вы не живете в Калифорнии, вы, возможно, никогда не видели его на дороге.
➡ Ты любишь крутые тачки. Мы любим крутые машины. Давайте поболтаем над ними вместе.
В наши дни электромобилям, приводимым в движение батареями, кажется, суждено господствовать на наших дорогах, в то время как автомобили на водороде, которые когда-то считались транспортными средствами будущего, встречаются редко и относительно малоизвестны.
Топливные элементы на самом деле имеют много преимуществ по сравнению с конкурентами, в том числе большее количество миль на галлон и более быстрое время дозаправки.
Так что же случилось с водородными автомобилями, которые нам обещали?
Как работают автомобили на водороде
Toyota Mirai, автомобиль на водородных топливных элементах.
Клеменс Билан//Getty Images
Первое, что вы должны знать: водородные автомобили — это электромобили . Мы склонны думать об электромобилях только с точки зрения транспортных средств с батарейным питанием, таких как Tesla, Nissan Leaf и Chevy Bolt, но, несмотря на то, что они работают на газообразном топливе, водородные топливные элементы фактически питают их автомобили электричеством.
«Когда мы говорим об электромобилях, это включает в себя подключаемые гибриды, гибриды, электрические аккумуляторы, топливные элементы и все остальное, что может появиться позже, в котором по-прежнему используется электродвигатель», — говорит Кит Випке, руководитель лабораторной программы по топливу.
клеточные и водородные технологии в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.
Но топливный элемент сильно отличается от батареи. Громадная литий-ионная батарея в животе Tesla Model S накапливает электрическую энергию в виде напряжения на аноде и катоде. Топливный элемент производит электричество посредством электрохимических реакций между топливом (обычно водородом) и кислородом воздуха. Во время реакции водород и кислород объединяются, производя электрическую энергию и безвредный водяной пар в качестве побочного продукта. Если эта первоначальная химическая реакция достаточно велика, она может привести в движение весь автомобиль.
Великие чтения
- Правдивая история «Форда против Феррари»
- Долетят ли ракеты до звезд?
- Что делает Jeep Wagoneer таким крутым
Этот танец механики и химии похож на водородно-кислородную реакцию, которая приводит в действие ракетные двигатели (вы, возможно, помните это из «Марсианина»).
В этом случае энергия, полученная в результате реакции, проходит через топливный элемент и производит электричество вместо взрыва. В обоих случаях высвобождается огромное количество энергии без токсичных побочных продуктов, что делает водородные топливные элементы таким отличным источником энергии для электромобилей.
Сам водород можно получить, проведя этот процесс в обратном направлении, который называется электролизом. Пропуская электрический ток через воду, H3O разделяется на водород и кислород. Однако чаще всего водород производится из природного газа в процессе, называемом конверсией метана с водяным паром, в котором пар высокой температуры и высокого давления смешивается с природным газом для создания водорода.
Этот танец механики и химии похож на водородно-кислородную реакцию, которая приводит в действие ракетные двигатели.
В ходе этого процесса выделяется некоторое количество углекислого газа, поэтому само водородное топливо не является на 100 % чистым.
Но он выгодно отличается от выбросов CO2, связанных с электрическими батареями и гибридами, и, очевидно, лучше, чем любой автомобиль, работающий на ископаемом топливе, с точки зрения воздействия на окружающую среду.
Штат Калифорния требует, чтобы по меньшей мере 33 процента водорода, поступающего в транспортные средства, поступало из возобновляемых источников, с надеждой в конечном итоге перейти к 100-процентному использованию возобновляемых источников энергии. Это ставит автомобили на топливных элементах в один ряд с электрическими батареями, работающими от сети.
Много плюсов, один дорогостоящий минус
Yoshikazu Tsuno//Getty Images
По мере того, как аккумуляторные электромобили выходят на первый план, автомобильная промышленность борется с двумя их основными недостатками для водителей. Во-первых, для полной зарядки автомобиля с аккумулятором может потребоваться несколько часов (если у вас нет доступа к быстрому зарядному устройству), а во-вторых, даже с полностью заряженным аккумулятором большинству электромобилей трудно проехать половину расстояния, чем обычному автомобилю.
полный бак бензина.
В автомобилях на топливных элементах таких проблем нет. Водород можно закачивать в топливный бак автомобиля точно так же, как бензин. Вы можете быстро заправиться так же, как бензином или дизельным топливом. А когда у него полный бак, автомобиль на топливных элементах может проехать так же далеко, как и бензиновый автомобиль. У Toyota Mirai самый короткий запас хода среди всех коммерческих седанов на топливных элементах, представленных в настоящее время на рынке, и он проезжает 317 миль на полном баке. Это почти на 50 процентов больше, чем 220 миль, которые базовая модель Tesla Model 3 может проехать без подзарядки.
«Вы можете выбрать любой электродвигатель и применить его. Там нет преград.»
«Если вы посмотрите, сколько энергии на самом деле проходит через вашу руку, когда вы держите дозатор на бензоколонке, это порядка 1–2 мегаватт», — говорит Випке. Сравните это с 2 киловаттами — в тысячу раз меньшей мощностью — доступной в стандартной сетевой розетке.
Легко понять, почему время зарядки аккумулятора так велико.
Связанная история
- Когда Америка будет инвестировать в водородные поезда?
«С водородом вы по-прежнему перемещаете молекулы, — объясняет он. — Пока у вас есть достаточное давление и пути потока с низким сопротивлением, вы можете очень быстро доставлять молекулы от станции к машине».
Как только эти молекулы попадают в автомобиль, разница между автомобилем на топливных элементах и автомобилем на батарейках невелика. Аккумуляторные автомобили известны своей невероятно высокой производительностью — Tesla установила рекорд от 0 до 60 с одним автомобилем в 2017 году. Но, по словам Стивена Эллиса, менеджера по автомобилям на топливных элементах в американской Honda, автомобили на топливных элементах могут выстоять.
«Поставьте достаточно мотора в [Honda] Clarity, и он также сможет разогнаться до 0–60 раз», — говорит он.
«Опять же, топливный элемент Clarity — это полностью электрический автомобиль. Вы можете выбрать любой электродвигатель и применить его. Там нет преграды».
Однако в настоящее время за все эти преимущества приходится платить высокую цену. Автомобиль Honda Clarity на топливных элементах в настоящее время сдается в аренду почти в два раза дороже, чем его аккумуляторная модель. К счастью, это включает стоимость топлива, которая в настоящее время составляет около 14 долларов за килограмм водорода. С точки зрения энергии это эквивалентно примерно 5,60 доллара за галлон бензина. Стоимость как транспортного средства, так и топлива со временем должна снизиться, но на данный момент преимущества топливных элементов будут сопровождаться высокой ценой.
Наполнить… Где именно?
Tomohiro Ohsumi//Getty Images
Теперь мы подошли к большому камню преткновения для автомобилей на топливных элементах: сегодня почти невозможно достать топливо за пределами Калифорнии.
Калифорнийское партнерство по топливным элементам перечисляет 40 действующих в настоящее время водородных заправочных станций, почти все в Лос-Анджелесе или районе залива. Если владелец автомобиля на топливных элементах хочет путешествовать по стране, ему не повезло.
«Потребители любят автомобили, — говорит Випке. «Задача действительно заключалась в том, чтобы построить заправочные станции достаточно быстро, чтобы не отставать от спроса».
Хотя индустрия топливных элементов не удовлетворяет этот спрос, дело не в недостатке усилий. Промышленность открывает примерно одну новую заправочную станцию в месяц и находится на пути к достижению своей цели в 200 заправок в Калифорнии к 2025 году. 17 000 электрических зарядных станций для аккумуляторных автомобилей.
В других штатах США водородная инфраструктура практически отсутствует, а автомобили на топливных элементах не продаются в большинстве штатов. В Нью-Йорке и Коннектикуте есть пара заправочных станций, но Випке говорит, что Северо-Восток отстает от Калифорнии на четыре-пять лет.
Северо-восток с его плотностью и политическим климатом действительно может стать местом следующего водородного бума. Но построить надежную сеть будет сложнее, чем в Калифорнии.
Автобус на водородных топливных элементах транспортного управления округа Ориндж.
OCTA
«Проблема заключалась в том, что это не один штат, поэтому вам нужно привлечь больше людей и освоить технологию», — говорит Випке. «Это более медленный процесс».
По его оценкам, транспортные средства на топливных элементах потребуются еще годы, чтобы стать жизнеспособным видом транспорта в Нью-Йорке. Хотя это значительно отстает от гибридной и электрической инфраструктуры, Випке считает, что водородные автомобили могут сократить разрыв.
Связанная история
- Встречайте следующее поколение водородных автомобилей
«Одна из причин, по которой [автопроизводители] так воодушевлены водородом, заключается в том, что он предоставляет им автомобильную платформу с нулевым уровнем выбросов, которая фактически может заменить каждый автомобиль в их автопарке», — говорит он.
«Если у вас есть очень большой грузовик или внедорожник с возможностью буксировки и большим запасом хода, заменить эти автомобили электрическим приводом довольно сложно, если вы не используете водород».
Некоторые из этих транспортных средств уже существуют или находятся в разработке. General Motors исследует пикап на топливных элементах, Hyundai представила внедорожник на топливных элементах, а Toyota провела последние три года, разрабатывая и тестируя тягач с водородным двигателем. Жители округа Ориндж могут добираться до места назначения на автобусе на топливных элементах с 2016 года, и по стране курсирует 25 таких автобусов.
Хотя большинство американцев никогда не видели автомобиля на топливных элементах, когда-нибудь рядом с вами будет построена станция для заправки водородом. Как только они станут обычным явлением на северо-востоке, заправочные станции начнут расширяться вглубь от побережья, и Випке и Эллис считают, что через несколько десятилетий заправочные станции, а вместе с ними и водородные автомобили, будут практически повсюду.