Водородные двигатели для чего они

Каталог статей

Часть 2

Другая важная задача водородной энергетики будущего – создание двигателей внутреннего сгорания, работающих на воде и водороде. В наш XX I век такие двигатели — это уже реальность.

Самый широкоизвестный двигатель, разлагающий воду на водород и кислород, основанный на электролизе, сконструирован в 1995 году американским изобретателем Стенли Мейром (Патент США № 5149507), хотя сообщения о подобных двигателях появлялись и раньше.

Обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, в то время как электролитический двигатель С. Мейера производит тот же эффект при милиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; двигатель Мэйера-же действует при огромной производительности с обычной отфильтрованной от грязи водой.

Рис. Электролитический двигатель С. Мейера.

Электролитический двигатель Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что он работает при высоком потенциале и низком токе. Конструктивно двигатель достаточно прост. Электроды изготовлены из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними; предлагаемое патентом расстояние составляет 1.5 мм.

Двигатель инициируется мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато увеличивающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться.

Рис. Электрическая схема электролитического двигателя С. Мейера

Рис. Принципиальная схема электролитического двигателя С. Мейера

Двигатель С. Мейера разлагает воду на водород и кислород посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого милиамперами.

Рис. Механизм работы электролитического двигателя С. Мейера

По мнению самого изобретателя, под воздействием электрического поля происходит поляризации молекулы воды, приводящему к разрыву связи.

Рис. Изменения молекул воды при работе установки

Кроме этого, при работе установки электролитического разложения воды происходят следующие эффекты:

-ориентация молекул воды вдоль силовых линий поля;

-поляризация молекулы воды;

-увеличение длины связи в молекулах воды и их разрыв;

-освобождение газов из установки;

Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается равной резонансной частоте молекул.

Для изготовления пластин конденсатора использовалась нержавеющая сталь марки Т-304, которая не взаимодействует с водой, кислородом и водородом. Начавшийся выход газа управляется уменьшением эксплуатационных параметров. Поскольку резонансная частота фиксирована, производительностью можно управлять с помощью изменения импульсного напряжения, формы или количества импульсов.

Повышающая катушка намотана на обычном тороидальном ферритовом сердечнике 1.50 дюйма в диаметре и 0.25 дюйма толщиной. Первичная катушка содержит 200 витков 24 калибра, вторичная 600 витков 36 калибра.

Диод типа 1ISI1198 служит для выпрямления переменного напряжения. На первичную обмотку подаются импульсы скважности 2. Трансформатор обеспечивает повышение напряжения в 5 раз, хотя оптимальный коэффициент подбирается практическим путем.

Дроссель содержит 100 витков калибра 24, в диаметре 1 дюйм. В последовательности импульсов должен быть короткий перерыв.

Через идеальный конденсатор ток не течет. Рассматривая воду как идеальный конденсатор, энергия не будет расходоваться на нагрев воды.

Вода обладает некоторой остаточной проводимостью, обусловленной наличием примесей. Идеально, если вода в ячейке будет химически чистой. Электролит к воде не добавляется.

В процессе электрического резонанса может быть достигнут любой уровень потенциала, поскольку емкость зависит от диэлектрической проницаемости воды и размеров конденсатора.

Однако , следует помнить, что водород – чрезвычайно опасное взрывоопасное соединение. Его детонационная составляющая в 1000 раз сильнее бензина.

Другой, совершенно отличный по конструкции двигатель внутреннего сгорания, работающей на воде, был разработан ещё в 1994 году нашим изобретателем В.С. Кащеевым.

На рисунке ниже приведена его конструкция в разрезе.

Двигатель внутреннего сгорания на воде, разработанный изобретателем В.С. Кащеевым.

Двигателя внутреннего сгорания на воде включает цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, связанный, например, кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом двигателя ( фиг . 1). Цилиндр 1 снабжен головкой 3, образующей совместно со стенками цилиндра 1 и днищем поршня 2 камеру сгорания 4. Подпоршневая полость 5 сообщена с атмосферой. В головке 3 цилиндра установлены :

впускной клапан 6, сообщающий камеру сгорания 4 с атмосферой при движении поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней и приводимый, например, от распределительного вала двигателя;

обратные клапаны 7, обеспечивающие выхлоп в атмосферу продуктов из камеры сгорания 4 и герметизирующие камеру после осуществления выхлопа.

Камера сгорания 4 выполнена по крайней мере с одной предкамерой 8, в которой установлен приводимый, например, от распределительного вала клапан 9 подачи топливной смеси и свеча зажигания 10. Предпочтительно предкамеру 8 (или предкамеры) выполнить в боковой стенке цилиндра 1 над поршнем при его расположении в нижней мертвой точке.

Двигатель работает следующим образом:

При движении поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней впускной клапан 6 открыт и камера сгорания 4 сообщена с атмосферой. Давление, действующее на обе стороны поршня 2, одинаково и равно атмосферному .

При приближении поршня 2 к нижней мертвой точке герметизируют камеру сгорания 4, закрывая впускной клапан 6; через клапаны 9 в предкамеры 8 подают топливную смесь и воспламеняют ее. В качестве топливной смеси используют стехиометрическую смесь водорода с кислородом, так называемый гремучий газ.

При сгорании топливной смеси резко повышается давление в камере сгорания 4; этим давлением открываются установленные в головке 3 цилиндра обратные клапаны 7 и происходит выхлоп в атмосферу продуктов из камеры сгорания. Давление в камере сгорания 4 резко понижается и обратные клапаны 7 закрываются, герметизируя камеру сгорания 4.

Поршень 2 атмосферным давлением, действующим со стороны подпоршневой полости 5, перемещается от нижней мертвой точки к верхней, совершая рабочий ход.

По достижении поршнем 2 верхней мертвой точки открывается впускной клапан 6 и цикл повторяется. Выбрасываемые из камеры сгорания продукты представляют собой увлажненный воздух.

Получение топливной смеси для силовой установки транспортного средства с предлагаемым двигателем внутреннего сгорания может осуществляться электролизом воды в электролизере, установленном на этом транспортном средстве.

Другой наш изобретатель москвич Михаил Весенгириев, лауреат премии журнала «Изобретатель и рационализатор», вообще предложил использовать в качестве устройства, разлагающего воду на кислород и водород самый что ни на есть обычный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). О н утверждает, что существующие двигатели внутреннего сгорания можно заставить работать на обычной воде с помощью электродов вольтовой дуги.

Камера двигателя сгорания по мнению изобретателя, идеально подходит для всех видов воздействия на воду, вызывающих ее диссоциацию и последующее образование рабочей смеси, ее воспламенение и утилизацию выделившейся энергии.

Для этого изобретатель М. Весенгириев предложил использовать четырехтактный ДВС (положительное решение по заявке на патент РФ № 2004111492). Он содержит один цилиндр с жидкостной системой охлаждения, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, выпускной клапан, систему подачи электролита (водного раствора электролита) и систему зажигания. Система подачи электролита в цилиндр выполнена в виде плунжерного насоса высокого давления и форсунки с кавитатором (местное сужение канала). Причем насос высокого давления либо кинематически, либо через блок управления связан с кривошипно-шатунным механизмом двигателя.

Система зажигания выполнена в виде электродов и вольтовой дуги, установленных в камере сгорания. Зазор между ними можно регулировать, а ток на них идет от прерывателя-распределителя, также кинематически или через блок управления связанного с кривошипно-шатунным механизмом.

Перед пуском двигателя в работу бак заправляют электролитом (например, водным раствором едкого натра). Регулируя катод, устанавливают зазор между электродами. И, включив зажигание, на электроды подают постоянный ток. Затем стартером раскручивают вал двигателя.

Поршень от верхней мертвой точки (ВМТ) перемещается к нижней мертвой точке (НМТ). Выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разрежение. Насос высокого давления забирает из электролитного бака цикловую дозу электролита и через форсунку с кавитатором подает ее в цилиндр. В кавитаторе за счет повышения скорости и падения давления до критического значения происходит частичная диссоциация воды и тончайшее распыление капелек электролита. Затем в камере сгорания за счет протекания постоянного электрического тока через электролит происходит дополнительная, уже электролитическая диссоциация.

Поршень от НМТ перемещается к ВМТ – такт сжатия. Объем, занимаемый рабочей смесью, уменьшается, а ее температура возрастает: теперь идет уже термическая диссоциация. Третий такт – рабочий ход. Электрод пружиной и кулачково‑распределительным валом (кинематически либо через блок управления связанный с кривошипно-шатунным механизмом) перемещается до соприкосновения с электродом, и зажигается вольтова дуга. Под воздействием ее тепла рабочая смесь в камере сгорания окончательно диссоциирует и воспламеняется. Расширяющиеся газы перемещают поршень от ВМТ к НМТ. Еще до прихода поршня к НМТ прерыватель-распределитель размыкает контакты, на короткое время прерывает подачу постоянного тока на электроды вольтовой дуги и тушит ее. Затем контакты прерывателя-распределителя вновь замыкаются, и постоянный ток опять поступает на электроды.

И, наконец, четвертый такт – выпуск. Поршень перемещается вверх от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открывает выпускное окно, и цилиндр освобождается от отработавших продуктов. В дальнейшем процесс работы двигателя беспрерывно повторяется. При этом цилиндр и головка цилиндра охлаждаются системой охлаждения двигателя. Таким образом, старый-новый ДВС может работать на воде.

Сейчас описанные выше конструкции двигателей внутреннего сгорания на воде, реализуются на практике различными западными фирмами. Одни западные крупные автопроизводители Ford, General Motors, Toyota, Nissan проводят опыты с топливными элементами, в котором водород соединяется с кислородом, создавая водяной пар и электричество. Другие, такие как BMW и Mazda, реализуют сжигание водорода в ДВС.

В таких конструкциях есть свои положительные и отрицательные стороны. Положительные — водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания с воздухом, при которых возможно сгорание смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь. Отрицательные – прибавка в весе машины при использовании водородной топливной системы, в то время , как в машинах на топливных элементах прибавка веса (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает «экономию» от удаления ДВС и его механической трансмиссии. Потеря в полезном пространстве меньше у машины с водородным ДВС.

Главная же проблема – как хранить водород в автомобиле. Наиболее перспективный вариант – металл-гидриды — ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Таким образом достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант. Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но при низкой (253 С) температуре.

Следующий важный вопрос — способ подачи топлива в двигатель. В этом плане показателен опыт компании BMW , построившей в рамках программы CleanEnergy в 1999-2001 годах несколько двухтопливных (бензин/водород) автомобилей. Их 4,5-литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом топливе (ёмкость бака составляет 170 литров) автомобиль может пройти 300 километров, и ещё 650 километров — на бензине (в машине оставлен стандартный бак). Сначала компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Потом экспериментировала с непосредственным впрыском газообразного водорода (под большим давлением) непосредственно в цилиндр.

По прогнозам западным автомобилестроителей в последующие три года водородные заправки построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч таких автомобилей. В 2025 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде.

Лит . и сточники: « Водородная энергетика» : Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; McAul — iffe Ch . A ., Hydrogen and energy , Ц., 1980.

Плюсы и минусы водородного топлива

Водородное топливо уже давно занимает ведущие позиции среди других источников энергии. Обладающий уникальными свойствами, водород по праву называют топливом ближайшего будущего. По сравнению с дизельным и бензиновым топливом, у него больший КПД, а также экологичность. Попытаемся разобраться, почему его до сих пор не используют?

Водородный коктейль

Хотя водород обладает чудесными характеристиками, его почти не применяют на автотранспорте потому, что люди привыкли использовать бензин, хотя он и дорожает с каждым днем. Также ведущие автокомпании постоянно откладывают сроки перехода на водородное топливо, мотивируя это тем, что установки для получения водорода появятся только к 2030 году. Европейские и американские аналитики могут быть правы в этих подсчетах, но есть множество доказательств экстренного перевода на водород целого автопарка, причем буквально за 10 -12 дней!

История двигателя внутреннего сгорания на водороде

Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды. Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом.

Водородное топливо в блокадном Ленинграде

О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ для заправки автотранспорта. От налетов вражеской авиации Ленинград защищался зенитными орудиями, а также заградительными аэростатами, наполненными водородом, чтобы помешать прицельной бомбардировке города.

Когда водородные аэростаты спускались на землю, их использовали в качестве альтернативного источника топлива. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин.

В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, Украинским ИПМ был переоборудован весь свой автомобильный парк водородное топливо, отлично справившись с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада советского союза.

Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения топлива.

Преимущества водородных ДВС

Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.

Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.

КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Недостатки

Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:

Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.

Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.

Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.

Несовершенство технологий хранения такого топлива.

Дорогие водородные элементы.

Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.

Производители транспорта на водородном топливе

Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:

Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;

Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;

Honda со своей моделью Honda FCX;

Hyundai выпускает Tucson FCEV;

Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz A-Class;

Перспективы развития

Все же водород является единственной приемлемой экологической энергией с огромным будущим. От ученых зависит только разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода, наладить порядок в инструкциях по эксплуатации топлива, и тогда навсегда уже забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости.

Водородные автомобили против электромобилей: фейк или реальное противостояние?

1. Краткая история технологии
2. Преимущества и недостатки водородных гибридов
3. Что выгоднее: водород или электричество
4. Перспективы развития
5. Электротранспорт против водородного: существует ли противостояние на самом деле

Транспорт, работающий на водороде и электричестве, используют не первый десяток лет. Сегодня это одно из самых перспективных направлений в автомобилестроении, поэтому споры о том, что лучше — протон или электрон — разгораются все ярче. Только ли нулевой выхлоп привлекает инвесторов и на чьей стороне перевес?

Краткая история технологии

Технология двигателя внутреннего сгорания, основанная на работе водорода, отнюдь не нова. В первой половине XIX века ее изобрел Франсуа Исаак де Ривас, используя метод электролиза воды для получения топлива.

Вплоть до 1980-х годов в США, Германии, Канаде, Японии и СССР производство автомобилей, работающих на газе и бензиновых смесях, считалось экспериментальным, если не брать во внимание вынужденный переход на водород в бывшем Советском Союзе во времена Второй мировой войны.

История электромобилей не менее богата и продолжительна , однако этот вид транспорта стал популярен относительно недавно. Причиной тому можно назвать возникший в начале 2000-х годов тренд на экологичность. И здесь идея авто с нулевым выбросом выхлопных газов оказалась как никогда актуальной.

По ряду причин на это звание подходили только электромобили, но первые серийные модели имели ограниченный запас хода на одной зарядке. Вот тут-то и пригодился водород. Им снова заинтересовались крупные автоконцерны, такие, как Toyota и Hyundai.

Преимущества и недостатки водородных гибридов

Если сначала концерны осваивали разработку гибридов наподобие BMW Hydrogen 7 , где также использовался бензин, то в наши дни производители чаще говорят о перспективе использования топливных водородных ячеек.

Они заменят аккумуляторные батареи — главный источник питания электромобилей, чтобы увеличить запас хода авто и «отвязать» его от величины расстояния между заправками.

Так, китайская государственная компания SIAC заявила о том, что планирует выпустить к 2025 году более десятка моделей новой формации и запустить производство водородных топливных ячеек. Это заявление полностью отвечает экономической программе страны: в 2030 году в Китае планируется открыть 1000 специализированных заправочных станций.

Седан на водороде Toyota Mirai

Водородный транспорт перспективен, безопасность его использования на практике доказывают объемы продаж T oyota Mirai: только в 2019 году в мире было приобретено более 1500 авто этой модели. Однако и в этой отрасли есть свои « подводные камни »:

1. Высокая стоимость производства топлива . Для получения водорода путем электролиза необходимы дорогостоящие катализаторы и энергоемкий процесс сжижения: на 1 кг водорода потребуется примерно 10–14 кВт*ч. К тому же для того чтобы обеспечить нужды всех автомобилей в стране, государствам придется увеличить ежедневный расход потребления электроэнергии в несколько раз (теоретически, как в случае с электромобилями).
2. Сложности в организации промышленного хранения водорода и требование соблюдения особых правил эксплуатации при заправке или транспортировке топлива . Тем более что хранение обходится дороже, чем его производство по причине высоких требований безопасности.
3. Отсутствие инфраструктуры заправочных станций . Например, в России первая из них появилась только в июле 2020 года.

На этом фоне электротранспорт выглядит более выгодным вариантом, тем более что заправочные станции давно вышли за рамки ареала Калифорнии.

Что выгоднее: водород или электричество

Сравним производительность и стоимость эксплуатации транспорта на водороде и электричестве:

Станции зарядки для электрокаров берут плату не за количество потребляемой электроэнергии, а за время подключения. Исходя из этого, можно рассчитать, сколько в итоге потратит владелец на одну поездку в конкретном регионе, заправляясь водородом или подпитываясь электроэнергией от домашней или коммерческой точки заряда.

А так как в России действующих заправок для водородных машин мало, оперировать придется теоретической стоимостью заграничного газа.

Последний пункт убивает рациональность использования автомобилей на водороде. Сеть электрозаправок в этом плане существенно выигрывает. Даже в России число точек подзарядки медленно, но верно растет. По разным данным к концу 2020 года их было от 200 до 300-400 .

Перспективы развития

Однако не все так печально в области развития водородного транспорта в мире. По данным портала H2stations.org, количество специализированных заправок к концу 2019 года достигло 434 штук.

В текущем году информации о новых открытых точках пока не возникало. Но и этот показатель говорит о том, что за последние пять лет инфраструктура выросла в объеме практически в два раза.

В России Минэнерго разработала «дорожную карту» по развитию водородной отрасли до 2024 года. Пока в планах только производство, экспорт топлива и испытание пилотных установок на АЭС. Как альтернатива — развитие железнодорожного транспорта в стране на водороде, в ближайшие годы тоже экспериментально.

И если верить данным исследовательской фирмы Bloomberg NEF , через 30 лет доля водорода на рынке энерготоплива будет составлять 24 % от общего числа , а цена прогнозируемо снизится до уровня стоимости газа. До этого события транспорт на водороде не конкурент для электромобилей.

Электротранспорт против водородного: существует ли противостояние на самом деле

Такое противостояние действительно есть, но оно находится далеко от реальных дорог и дилерских центров. Волна разговоров в стиле «электрон против протона» поднялась после возникновения на автомобильном рынке американской компании Nikola Motor. Ее владелец Тревор Милтон сделал ставку на производство сначала электрогрузовиков, а затем и тягачей на водороде. Но закончилась эта история печально .

Но если отвлечься на минутку от маркетинговых битв и задуматься, был ли конкурентоспособен бизнес Милтона на самом деле еще до того, как вскрылся обман? Агентство Bloomberg NEF скептически относится к перспективам H2 во всем коммерческом транспортном секторе.

В докладе агентства говорится, что возобновляемый водород, вероятно, прежде всего будет использоваться для тяжелых грузовиков и морских судов . При этом говорить об окупаемости технологии, к примеру, для водородных трейлеров можно только с 2031 года.

Эксперты компании предполагают, что в нише легковых автомобилей и автобусов в первую очередь будет использоваться электропривод, поскольку это будет более экономичным вариантом.

Сравнивать экологичность нулевого выброса электромобиля и водяной пар машины на водородном топливе нет особого смысла. Всегда найдутся физики и технологи, способные подсчитать затраты на появление этих транспортных средств.

Зачастую вывод такой: не очень уж это безобидное с точки зрения загрязнения среды дело. Насколько он реалистичен — покажет лишь время. Ну а пока противостояние «электричек» и «водорода» в СМИ и на информационных порталах в самом разгаре.

Кстати, следить за последними событиями в мире электротранспорта можно на не только на нашем сайте , но и на Telegram-канале .

Зелёный элемент. Как мир переходит на водород и чем это грозит России

Однако на пути к «зелёному» водородному будущему немало помех. «Секрет фирмы» разобрался, кто и как уже внедряет новые технологии и не останется ли Россия на обочине этого тренда.

Водород везде — от Lada Kalina до самолётов для British Airways

Через 10 лет в Европе должно быть не менее 30 млн автомобилей с нулевым уровнем выбросов, а к 2050 году безвредными для экологии должны стать почти все машины, включая грузовики и автобусы. А также авиация и морской транспорт. Об этом говорится в «стратегии устойчивой и умной мобильности» Евросоюза.

Речь идёт не только про электротранспорт. Предполагается, что заметная часть машин будет работать на водороде. Точнее, на водородных топливных элементах, где вырабатывается электроэнергия, которая и приводит в движение мотор.

Эра такого транспорта началась: в феврале в Мадриде запустили первый автобус на водородном топливе, а власти Лондона уже объявили, что городской транспорт полностью перейдёт на водород в 2037 году.

Многие автоконцерны разрабатывают и даже уже выпускают водородные модели: Toyota (Mirai), Honda (Clarity), Hyundai (Nexo), Mercedes-Benz (GLC F-Cell, по необходимости заряжается от розетки), BMW (X5 i Hydrogen Next).

У отечественного автопрома есть подобные разработки: в 2019 году «АвтоВАЗ» представил прототип водородного автомобиля на базе Lada Kalina. В течение года разработчики должны были создать опытный образец, но с тех пор о проекте информации нет.

Килограмм водорода даёт примерно в три раза больше энергии, чем сопоставимое количество дизельного топлива или бензина.

Тенденция заметна и в грузовом сегменте: в конце 2020 года Hyundai начал поставлять клиентам первые водородные грузовики, а в России фирма «Эвокарго» представила беспилотный электрогрузовик, который можно заправлять водородом.

Применение водороду ищут и в авиации. Калифорнийский стартап с русскими корнями ZeroAvia с 2017 года разрабатывает водородно-электрические самолеты. За три года ему удалось привлечь $37,7 млн инвестиций, в том числе от фондов Билла Гейтса и Amazon. Пока речь идёт только о небольших самолетах, преодолевающих расстояния в 800 км. Опытный образец ZeroAvia Федеральное управление гражданской авиации США одобрило в 2019 году, а его первый полёт состоялся осенью 2020-го. Разработками уже заинтересовались 10 авиакомпаний — в частности British Airways.

«Технология водородных топливных элементов открывает потенциал для полётов крупных самолетов на большие расстояния, а это означает, что она может масштабироваться, чтобы предложить эффективную альтернативу реактивному керосину без выбросов. Водород также может обеспечить снижение затрат на топливо и техническое обслуживание», — объяснил «Секрету» вице-президент по Европе ZeroАvia Сергей Киселев.

Пока рынок сдержанно принимает водородные новинки

Это демонстрирует история с автомобилями Toyota Mirai. Их серийно выпускают с 2014 года, основные рынки — США и Япония. В 2020 году вышла модель второго поколения, стоимость начинается с 5 млн рублей. Toyota надеялась продавать по 30 000 автомобилей Mirai, но спрос в 10 раз меньше — из-за плохо развитой инфраструктуры. В США, например, всего около 10 водородных заправок, в Германии – свыше 50.

В России и вовсе одна водородная АЗС. Её открыли в подмосковной Черноголовке летом 2020 года при участии одного из немногих российских владельцев Toyota Mirai Владимира Седова. Правда, на заправке не смогли даже полностью заправить авто — не хватило давления (нужно 700 атмосфер, а на подмосковной АЗС всего 500). Ранее Владимир на свои деньги запускал подобную станцию в родном Красноярске — и потратил на это более 10 млн рублей (при том что автомобиль ему обошёлся в 7 млн).

Проблемы с инфраструктурой, похоже, не останавливают правительство Санкт-Петербурга: осенью 2020 года там задумались, как перевести каршеринг на водородное топливо: компания Hyundai готова предоставить свои автомобили для пилотного проекта. Оператор каршеринга пока неизвестен, как и детали идеи.

Директор по стратегическим проектам каршеринговой компании «Делимобиль» Дарио Пелацо скептически смотрит на такие эксперименты: «На сегодняшний день перевод машин на водородное топливо не представляется возможным в силу ряда причин. Основные — отсутствие инфраструктуры для заправки и обслуживания таких автомобилей. Проблема водородного топлива заключается ещё и в высокой стоимости его производства, которая в разы выше, чем дизельное или бензин», — сказал он «Секрету».

Современный водород не нужен экономике будущего

Есть несколько способов получить водород. Первый — переработать углеводородное сырьё (природный газ или уголь). Это энергоёмкий процесс, при котором выделяется значительное количество углекислого газа — основного парникового газа, вызывающего изменение климата. Полученный таким методом водород нельзя считать экологичным, поэтому его называют «серым».

Есть «зелёный» водород — его получают электролизом воды (разложения вещества на составные части под воздействием тока). Если электричество для этого процесса вырабатывают из возобновляемых источников, такое производство считается безвредным для природы. Когда говорят о водороде как о топливе будущего — имеют в виду именно его. Промежуточный вариант — «голубой», когда при производстве «серого» водорода улавливают углекислый газ.

«Водород, произведённый с минимальными выбросами парниковых газов (“зеленый” или “голубой”), становится несравненно лучшим энергоносителем по сравнению с нефтью или газом — по критерию влияния на глобальные климатические изменения, по “углеродному следу”, — говорит старший аналитик Центра энергетики Московской школы управления Сколково Юрий Мельников. — Природный газ и нефть по своей природе не могут сравниться с водородом по этому показателю — при их добыче, транспортировке и использовании непрерывно выделяются парниковые газы (метан, СО2), и свести все эти выбросы к нулю невозможно».

Однако производство «зелёного» и «голубого» водорода обходится дорого. К тому же установки для производства такого вещества маломощные и их немного. Поэтому в мире пока больше всего «серого» водорода — около 99%.

Из 70 млн тонн производимого сегодня в мире водорода половину потребляет химическая промышленность. Остальное распределяется между нефтепереработкой (43%) и производством стали, полупроводников и термополированного стекла.

Себестоимость производства «зелёного» водорода — этот $3-4 за килограмм. Это примерно в три раза дороже, чем «серого» ($1-2), но зато вдвое меньше, чем 10 лет назад. А поскольку стоимость ветровой и солнечной энергии продолжает падать, а экономия от масштаба производства «зелёного» водорода возрастает, он может подешеветь ещё сильнее. Если это произойдёт, «зелёный» водород может стать основным топливом будущего, пишет MIT Technology Review.

Если ли место для России в водородном будущем

К 2050 году почти четверть мировой потребности в энергии будет покрываться за счёт водорода, а его цена сравняется со стоимостью природного газа, следует из доклада Bloomberg. К тому времени, как предсказывает Hydrogen council, объём мирового рынка водорода достигнет $2,5 трлн (сегодня он оценивается в $150 млрд).

«Основные водородные технологии находятся в начале кривой обучения (это линия, которая показывает рост совершенства технологии и уменьшение её стоимости по мере распространения и масштабирования. — Прим. «Секрета»), — говорит Юрий Мельников. — Применяются они в ограниченных масштабах, и потому дороги. Ключом к их удешевлению является глобальное масштабирование технологий — в сотни, тысячи раз — и здесь важна роль мер поддержки со стороны государств».

Многие страны разработали национальные водородные стратегии — в частности, они появились в Германии, Нидерландах, Франции, Норвегии, Португалии, Испании. Осенью 2020 года такой документ появился и в России.

Согласно ему, экспорт водорода из России к 2024 году должен достичь 200 000 тонн, а к 2035 году вырасти уже до 2 млн тонн. Сейчас в стране производят 5 млн тонн водорода в год, но весь используют во внутреннем промышленном секторе. По планам властей, Россия через 15 лет должна получить весомое место на глобальном рынке — не менее 16%.

Вообще водород можно производить почти везде. Надежды на экспорт связаны с ожиданиями, что производимый в стране «безуглеродный» водород будет настолько дёшев, что его будет выгодно продавать в другой стране за сотни и тысячи километров от места производства, объяснил Юрий Мельников.

«Добиться такой конкурентоспособности будет непросто: ресурсы для производства водорода действительно распределены по планете равномерно, а логистические решения пока находятся на очень ранней стадии развития», — добавил эксперт «Сколково».

Фото: PetrolValves S.p.A. / Wolfram Scheible nord-stream2.com

Лидерами в развитии водородных технологий сейчас считаются Япония и Германия. «При этом РФ находится в переговорном процессе с Германией по вопросам использования водорода. У России есть развитая сеть трубопроводов, у Германии — технологии. Объединив эти возможности, можно получить совместные перспективы, — говорит доцент кафедры национальной экономики экономфака РУДН Максим Черняев. — А в перспективе — и новые пакеты санкций, которые неизбежно прилетят из-за океана. РФ своими действиями даёт понять, что готова к подобному развитию событий. Готовы ли партнёры? Германия изучает этот вопрос».

«Неоспоримое преимущество России, которое позволит сразу вырваться в лидеры мирового рынка водородной энергетики, — газовая инфраструктура “Северный поток” и “Северный поток — 2”, через которую можно гнать газ, можно — водород, а можно — смесь, и это пока самый перспективный вариант. Вместе с тем существует опасность стать сырьевым придатком, только на более высокотехнологичном уровне. Риск в том, что начнут отправлять весь произведённый водород в Европу без дальнейшего использования в производстве или для энергетических нужд граждан», — считает руководитель направления «Промышленность» Института технологий нефти и газа Ольга Орлова.

Первыми крупными производителями «зелёного» водорода, вероятнее всего, станут «Росатом» и «Газпром». Пилотные установки компании запустят к 2024 году на базе атомных электростанций, объектах добычи газа и перерабатывающих предприятиях. Кроме того, к этому году «Росатом» должен построить опытный полигон для испытаний железнодорожного транспорта на водородных двигателях.

Рост спроса на «зелёную» энергетику угрожает бюджетным доходам страны. Будучи одним из крупнейших поставщиков угля, нефти и газа, Россия оказывается в уязвимой ситуации при падении спроса на топливо. Что и показала коронавирусная весна 2020 года. Вероятно, поэтому правительство решило начать формировать репутацию России как поставщика водорода — альтернативного энергоносителя. Ведь то, что сейчас выглядит, скорее, хайпом, через несколько десятилетий может стать реальностью.