Водородный недород: что мешает продвижению автомобилей на легком газе

«Вода — это уголь грядущих веков», — восклицал герой Жюля Верна в романе «Таинственный остров», имея в виду способность водорода гореть, давая значительное количество энергии. Прошло полтора века, и мечта кажется явью: автомобильные компании одна за другой приступают к выпуску автомобилей, ездящих не на бензине, а на водороде. Одним из главных драйверов развития водородной энергетики служат жесткие экологические ограничения, которые вводят правительства развитых стран. Бензиновым и дизельным двигателям, похоже, осталось всего несколько десятилетий: так, 26 июля министр по делам окружающей среды Великобритании Майкл Гоув рассказал, что правительство готовится принять запрет на их продажу с 2040 года, а в районах с наиболее грязным воздухом даже раньше. Аналогичное решение обсуждается в нескольких других странах Европы, в частности в Норвегии и Франции.

Согласно опубликованному в 2016 году исследованию Bloomberg New Energy Finance к тому же 2040 году ежегодные продажи электрокаров, часть из которых использует водородные ячейки, достигнут 35% от числа всех продаваемых машин. Этому немало будет способствовать снижение цен — по прогнозам уже к 2025 году стоимость таких машин сравняется со средней ценой обычных автомобилей.

Но вот на какие именно электромобили перейдет мир, единого мнения пока нет. Традиционные электрокары, работающие на аккумуляторах, уже добились определенной популярности: по дорогам планеты ездит более 2 млн таких машин, в Европе и США для них созданы сети заправок. Но у этих устройств немало недостатков: аккумуляторы теряют заряд на морозе, а их средний срок службы составляет 1–1,5 тыс. циклов, то есть при подзарядке два раза в сутки батарея будет служить всего около 3–5 лет.

Достойной альтернативой аккумуляторам выглядят водородные топливные ячейки: они способны служить не менее 8–10 лет и практически не нуждаются в обслуживании. По своему КПД они оставили обычные бензиновые моторы далеко позади — в среднем 45 против 35%, работают без вибраций и шума, а баллона размером со стандартный бензобак им хватает на то, чтобы проехать 500–600 км. «Водород длительное время считался энергетической заначкой на будущее, так как его можно сжигать без выработки каких-либо отходов или преобразовывать в электрический ток, — говорит владелец компании GNC-Technology Кристиан Цбинден. — В исследования и разработку водородных батарей были вложены миллионы».

Тем удивительнее, что руководители многих технологических компаний, и среди них, например, глава Tesla Илон Маск, считают, что автомобильные и бытовые водородные двигатели — это тупиковый путь.

Прощание с бензином

У водородных двигателей долгая и непростая история: еще в 1979 году BMW выпустила первый автомобиль, работающий на этом газе. Однако нефтяные кризисы 1970-х, заставившие задуматься о разработке такого автомобиля, миновали, и вплоть до 2000-х автогиганты положили идею под сукно. Все изменилось в новом веке, когда нефть снова стала дорожать, а правительства задумались о снижении выбросов в атмосферу углекислого газа. Экологичность — один из главных плюсов водородных двигателей, ведь единственный побочный продукт их работы — обычная вода. Ни углекислого газа, ни соединений свинца.

В 2007 году BMW выпустила партию из ста автомобилей Hydrogen 7, способных работать как на бензине, так и на водороде, сопроводив это событие масштабной рекламной кампанией: за рулем таких авто появлялись голливудские звезды Брэд Питт, Анджелина Джоли, Ричард Гир, Шарон Стоун. Однако сотней машин дело и ограничилось: их технические характеристики оставляли желать лучшего. Компания выбрала тупиковый путь: гибридная модель сжигала водород в камере сгорания, и газового баллона в 8 кг хватало всего на 200–250 км. А стоил автомобиль на уровне топовых моделей концерна.

Фото: Paul Sancya / AP

Другие компании извлекли из эксперимента BMW урок. Сейчас уже три фирмы серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках, использующих топливо более эффективно: в результате электрохимической реакции они вырабатывают энергию, которая подается на электрический двигатель. Первой работающей по такой схеме была машина Hyundai ix35 Fuel Cell, поступившая в автосалоны в начале 2013 года. Годом позже в Японии стартовали продажи Toyota Mirai, а в 2015–2016 годах на японский и американский рынки вышла Honda Clarity. Еще полтора десятка компаний в последние годы объявили о скором выпуске или по крайней мере о начале разработки таких автомобилей. Совершенствование технологий позволило существенно удешевить производство: цена Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс.

Тем не менее цены кажутся высокими по сравнению с обычными машинами: так, Hyundai ix35 с обычным двигателем стоит от $10 тыс. до 35 тыс. Да и сам водород пока обходится дороже бензина. Но инновационные автомобили не только чище, но и потенциально выгоднее. Согласно подсчетам бывшего главного исследователя по вопросам альтернативной энергии Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) Стива Хенча использовать водород в качестве энергоносителя намного выгоднее, чем обычный бензин. Энергоемкость одного галлона (4,54 л) бензина и 1 кг водорода, эквивалентного ему по объему, почти одинакова: 130 против 130–140 мДж. Галлон бензина в США стоит около $2,90, 1 кг водорода обойдется дороже — в $8,6. Однако если учесть, что термодинамическая эффективность бензина составляет 20–25%, а водорода — 60% и более, получится, что топливные ячейки в 2,5–3 раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания. А значит, на том же объеме топлива водородные автомобили смогут проехать в 2,5–3 раза дольше.

Легок на помине

Ажиотаж по поводу самого легкого в природе газа, стартовавший в начале 2000-х, был подхвачен политиками. В 2004 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер рисовал картины «водородных шоссе», которыми будет опоясан его штат всего через шесть лет. Ничего такого, конечно, не произошло. «Автомобильная отрасль консервативна: все новые технологии дорогие, требуют оптимизации моделей по массе и габаритам, испытаний на ресурс», — говорит гендиректор AT Energy Данила Шапошников.

Сказалась и экономическая ситуация. «В глобальном контексте замедление развития водородной энергетики связано с тем, что выбор технологий снижения выбросов в энергетике, транспорте, горнодобывающей промышленности и ЖКХ определяется экономической выгодой, — говорит советник по возобновляемой энергии в MoJo Energy Говард Рамсден, в 2000-х принимавший участие в разработке законодательства Европейского союза в области электроэнергетики. — Если финансовые механизмы стимулирования выбора низкоуглеродных технологий не являются существенными для стимулирования потребителя, то он либо не будет менять своих привычек, либо будет делать это очень вяло. Водородные технологии оказались слишком дороги для производителей в условиях двух глобальных экономических кризисов, где война за покупателя была жесткой».

Проблемы вызваны не только экономической конъюнктурой. Первому элементу таблицы Менделеева то и дело достается от глав технологических компаний. Так, владелец Tesla Илон Маск неоднократно называл топливные ячейки «ошеломляюще тупой технологией», противопоставляя их электрическим аккумуляторам, на которые сделала ставку его компания. Основная претензия заключается в том, что в качестве средства хранения энергии ячейки уступают аккумуляторам, поскольку преобразование химической энергии в электрическую внутри топливного элемента ведет к неизбежным потерям.

Илон Маск

(Фото: Marcio Jose Sanchez / AP)

Другие критики отмечают, что водородные автомобили по умолчанию небезопасны. Водород невидим, легко воспламеняется и не имеет запаха, а значит о его утечке водитель не догадается вплоть до взрыва. Правда, и Toyota и Honda специально отмечают, что в их моделях водород хранится в герметичных и ударопрочных контейнерах из углеволокна. И все-таки никакое углеволокно не выдержит сильного удара при ДТП.

И даже подсчеты экономических выгод водорода могут быть обманчивы. «Главная проблема — высокая стоимость производства самих топливных элементов, так как водородные батареи содержат платину, один из самых дорогих металлов в мире, — напоминает Кристиан Цбинден. — Многие заблуждаются, считая водородную энергетику спасением от глобального изменения климата. На самом деле энергия из водорода — это плацебо, поскольку при производстве подобных батарей используется непропорционально большое количество электроэнергии. Поэтому «зелеными» данные технологии назвать нельзя». Самый распространенный в наши дни процесс получения водорода — паровой риформинг метана. Он требует использования углеводородов. Правда, теоретически его можно заменить электролизом воды, энергию для которого будут давать, например, солнечные батареи.

Кроме того, под водородные двигатели нужно строить специальные сети заправок. «Вопрос не столько в разработках производителей двигателей, сколько в подготовке и развитии необходимой инфраструктуры, — считает Никита Игумнов, финансовый эксперт, ранее работавший в инвестпроектах Газпромбанка, в органах управления и контроля МОЭСК и «Мосэнергосбыта». — При реализации данного направления возникнет ряд проблем, требующих решения. Среди них — высокая стоимость производства, хранения и транспортировки топлива, а также необходимость масштабного развития необходимой инфраструктуры: заправки, терминалы хранения, производственные мощности. Все эти вопросы требуют масштабных инвестиций».

Нишевой элемент

И все-таки будет ошибочным считать водородную энергетику тупиковым направлением. «Например, она давно применяется в ракетостроении, но СМИ редко об этом пишут», — отмечает Шапошников. Пока автомобили на топливных элементах делают первые шаги, их меньшие братья — автопогрузчики уже вовсю переходят на самый легкий газ. В июле Walmart приобрела 55 млн акций одного из пионеров водородной энергетики — компании Plug Power, объявив о планах оснастить 30 своих центров дистрибуции водородными автозаправками, где смогут заряжаться погрузчики компании (сейчас такими заправками оснащены 22 американских магазина Walmart). В апреле этого года Amazon.com купила более 50 млн акций Plug Power, параллельно начав оснащать водородными заправками свои склады.

Компании-конкуренты считают, что водород поможет их центрам быть более эффективными. «Складская техника — это ниша, в которой водородные топливные ячейки уже прочно закрепились, — говорит Данила Шапошников. — Электрические аккумуляторы погрузчиков быстро садятся и подолгу заряжаются. Возникают большие паузы в работе. Кроме того, батареи имеют короткий срок службы. А техника на водороде надежна, неприхотлива и, кроме того, экологична — такие погрузчики могут работать в закрытых помещениях».

То, что силовые установки, работающие на водороде, практически бесшумны, делает их привлекательными для производства военной техники. Уже сейчас такими установками оснащают, например, подводные лодки. Водород служит и для нужд домохозяйств: энергетические станции мощностью от 1 до 5 кВт могут вырабатывать электроэнергию в режиме когенерации, попутно давая тепло для системы отопления и нагрева воды.

В Японии такие автономные системы получили широкое признание после аварии на «Фукусиме», когда ядерная энергетика стала восприниматься как нечто страшное. Агентство по природным ресурсам и энергетике Японии рассматривает развитие водородной промышленности как один из приоритетов, рассчитывая за три года довести число используемых домохозяйствами водородных электрогенераторов до 1,4 млн. Кроме того, правительство мотивирует промышленные компании использовать водород в качестве источника электроэнергии на заводах и фабриках. А организаторы летних Олимпийских игр 2020 года в Токио собираются превратить их в демонстрацию возможностей водородных двигателей.

Среди ниш, где водород находит себе применение уже сегодня, — стационарное резервное питание. «Топливные ячейки требуют мало обслуживания: поставил — забыл, — говорит Шапошников. — Когда напряжение в сети падает до нуля, они включаются. Небольшой баллон с газом, установленный, например, на сотовой вышке, даст ей энергии на сутки, пока ремонтная бригада устраняет проблему. Другая ниша — автономное энергоснабжение удаленных пунктов: можно раз в год наполнять газгольдер, обеспечивая электричеством и теплом небольшой поселок полярников где-нибудь в Арктике». Это решение подойдет для многих труднодоступных уголков страны.

Водородная энергетика будет развиваться даже при отсутствии прорыва в автомобильной отрасли, говорят эксперты. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но и в автомобильной промышленности этот элемент рано списывать со счетов. Да, водород высокого давления требует строительства сотен заправочных станций. Но есть более дешевая альтернатива, которую сейчас разрабатывает сразу несколько компаний, в частности один из лидеров по производству топливных ячеек — канадская Ballard Power, делающая пилотный проект для китайского Министерства транспорта. Жидкий химический состав можно будет заливать в обычные бензохранилища, которыми оснащены АЗС, и заправлять им машину как бензином. В специальном реакторе из жидкости будет выделяться газообразный водород, поступающий в топливную ячейку. Голубая мечта Шварценеггера не столь уж и несбыточна.