Все новости

Два оттенка зеленого. Автомобили на водородных топливных элементах против электромобилей

© Фото: Elnur / Shutterstock
Летом 2018 года в России стартовали технологические конкурсы Up Great, организованные РВК, АСИ и фондом «Сколково». Задача конкурсов серии «Первый элемент» — разработать водородные топливные элементы для наземного и воздушного транспорта с уникальными характеристиками энергоемкости и энергоплотности. В чем преимущество этого вида топлива и могут ли автомобили на водороде соперничать на равных со своим главным конкурентом — электромобилями?

В 2015 году Илон Маск назвал технологию получения энергии из водорода «очень глупой задумкой и опасной технологией». Произнося эти слова, создатель Tesla, вероятно, намекал на катастрофы, подобные катастрофе дирижабля «Гинденбург». Крушение воздухоплавательного аппарата произошло 6 мая 1937 года. При посадке наполненная водородом оболочка дирижабля загорелась — погибло 35 человек. И хотя крушение «Гинденбурга» не самая страшная катастрофа в истории воздухоплавания, слово «водород» надолго стало для человечества синонимом опасности. Спустя почти 80 лет водородные технологии вернулись в мир транспорта. На этот раз — в виде топлива для автомобилей.

Прав ли Илон Маск?

Словосочетание «водородный автомобиль» в современном мире имеет два значения. Существуют две концепции использования этого газа в качестве автомобильного топлива. Водородным автомобилем называют транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания, в котором для движения используется энергия, выделяющаяся при сгорании водорода. Сегодня это би-топливные автомобили, такие как BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen, работающие как на бензине, так и на водороде. Вторая концепция — автомобили на водородных топливных элементах.

Этот вид транспортного средства, по сути, разновидность электромобиля. Тягу создает электромотор, а основное отличие в том, что роль источника питания играет не аккумулятор, а блок водородных топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию в результате взаимодействия водорода и кислорода. Самое важное здесь, что реакция в топливных элементах происходит без процесса горения.

В смеси с воздухом или кислородом водород образует гремучий газ — название говорит само за себя. Гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении — именно это и стало причиной крушения «Гинденбурга». Кроме того, водород не обладает запахом, зато имеет свойство проникать сквозь другие материалы. Поэтому обращение с ним требует предельной осторожности.

6 марта 2018 года: Hyundai Nexo с двигателем на топливных элементах (дистанция до 800 км), Женевский автосалон
Описание
6 марта 2018 года: Hyundai Nexo с двигателем на топливных элементах (дистанция до 800 км), Женевский автосалон

В отличие от оболочки «Гинденбурга», взрывоопасный газ в системе автомобиля на топливных элементах или би-топливного автомобиля никогда не находится в условиях опасного атмосферного давления. Газ хранится в прочных и герметичных баках, непроницаемых для водорода и защищенных от внешних воздействий. Так, в Toyota Mirai, первом в мире серийном автомобиле на водородных топливных элементах, газ хранится в двух баллонах высокого давления (700 бар) из углепластика с трехслойной структурой емкостью 60 и 62,4 литра. По заявлению производителя, разрушение баллонов невозможно даже в случае ДТП. Утечка газа вне бака также маловероятна — автоматика отключит подачу при любом изменении давления в системе. BMW и немецкая экспертная организация TÜV Süddeutschland (TUV) проводили испытания системы хранения водорода BMW Hydrogen 7. Бак с газом пытались разрушить под высоким давлением, нагревали до температуры 1000 °C в течение 70 минут, подвергали механической деформации и ударным нагрузкам. Водород так и не взорвался.

Водород против лития

Серийные электромобили, в которых для движения используется энергия, накопленная в аккумуляторах, появились задолго до 2013 года, когда Toyota представила концепт Mirai. Силовая установка электромобиля — это тяговый электродвигатель, который приводит в движение ведущие колеса. Для питания электродвигателя используется ТАБ — тяговая аккумуляторная батарея. Электромобиль прост, а потому его ценность для потребителя потенциально очень велика. Однако превращению электромобилей в самый массовый вид транспорта мешает отсутствие революционных технологических прорывов в развитии аккумуляторных батарей. Вернее, один важный прорыв все-таки произошел: с появлением литий-ионных аккумуляторов, имеющих более высокую емкость при небольшом весе  в сравнении с традиционными никель-металл-гидридными и совсем уже архаичными свинцовыми аккумуляторами. После этого в развитии аккумуляторных технологий наблюдается лишь стабильное поступательное движение. Производители постоянно предлагают решения, позволяющие повысить емкость литий-ионных батарей. Так, российская технологическая компания Drive Electro разработала на основе самых прогрессивных литий-титанатных (LTO) аккумуляторных ячеек батареи для пассажирского транспорта. На подзарядку литий-титанатных батарей второго поколения требуется всего от 6 до 20 минут, а это примерно в 20 раз меньше в сравнении со средним временем зарядки литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, литий-титанатные батареи не подвержены воздействию экстремальных низких температур — их можно заряжать без дополнительного подогрева и эксплуатировать при температуре до –40 °С. Это позволяет говорить о круглогодичной эксплуатации электромобилей в российских условиях. Что же касается долговечности, то, по заявлению производителя, аккумулятор выдерживает не менее 20 тысяч циклов полного заряда и разряда, что эквивалентно примерно 15 годам ежедневной эксплуатации. Правда, следует сразу оговориться, что пока статистики, подтверждающей это заявление, нет. Компания устанавливает свои батареи только на электробусы, да и те начали курсировать по улицам Москвы только в сентябре 2017 года.

А это эффективно?

Министерство энергетики США опубликовало результаты исследования, в котором КПД автомобилей с двигателем внутреннего сгорания сравнивается с КПД автомобилей с электродвигателями. Согласно этому исследованию, только от 12 до 20% сгенерированной двигателем внутреннего сгорания энергии передается на колеса. Колес электромобиля достигает уже от 86 до 94% энергии.

Максимальная скорость электробуса КАМАЗ-6282, оснащенного литий-титанатными аккумуляторами Drive Electro, составляет 75 км/ч при максимальном запасе хода 70 км. Показатели, на первый взгляд, не кажутся впечатляющими, но стоит вспомнить, что полная масса электробуса около 19 тонн, при способности перевозить до 110 пассажиров. Существуют примеры установки аккумуляторов того же типа на пассажирские электромобили. Так, литий-титанатными аккумуляторами оснащены электромобили Mitsubishi i-MiEV для рынка Японии и электромобили Honda Fit EV. Максимальный пробег Honda Fit EV составляет 225 км. Это более чем в два раза меньше в сравнении с запасом хода в 500 километров Tesla Model 3 с литий-ионной батареей. Однако при сравнении следует учитывать емкость батарейного блока — 20 кВт•ч у Honda и более 80 кВт•ч у Tesla Model 3 с батареей увеличенной емкости.

Гибридная установка на водородных топливных элементах Toyota Mirai обладает максимальным КПД преобразования водорода в электрический ток, равным 83%. Максимальная мощность установки — 114 кВт. Автомобиль оснащен синхронным электродвигателем переменного тока. Его максимальная мощность составляет 113 кВт, или 154 лошадиные силы.

В два топливных бака Mirai можно единовременно заправить 122,4 литра или пять килограммов водорода. Максимальная дальность поездки на одной заправке при этом составит 650 километров. Для полной заправки баков необходимо три минуты.

А сколько это стоит?

Говоря об эффективности, невозможно пройти мимо стоимости энергии и самих автомобилей. Самой большой выбор автомобилей на водородных топливных элементах сегодня доступен в США. Кроссовер Hyundai Tucson Fuel Cell можно приобрести только в лизинг на 36 месяцев с первоначальным взносом в 2999 долларов и ежемесячной платой в 499 долларов. Тойота Mirai стоит 57 500 долларов, однако компания предлагает выгодные арендные соглашения покупателям из Калифорнии, где сегодня действует самая развитая инфраструктура заправочных станций. Цены на Honda Clarity Fuel Cell начинаются от 34 290 долларов. Покупатель автомобиля на топливных элементах в США получает назад часть денег от государства в качестве поощрения за участие в развитии «зеленой» мобильности. Например, в случае покупки Clarity Fuel Cell выплата составит 7500 долларов. Помимо перечисленных в США продаются и такие модели, как Mercedes-Benz F-Cell или Hyundai Nexo. В Британии есть собственный бренд — Riversimple Rasa. Запуск в серию автомобилей на водородных топливных элементах планируют практически все крупнейшие автопроизводители — от французского Renault до General Motors и китайского FAW.

Количество брендов, предлагающих электромобили на глобальном рынке, исчисляется десятками. На российском рынке на данный момент официально представлено менее 10 моделей, среди которых Nissan Leaf 2, Tesla Model 3, BMW i3s, Smart Fortwo Electric Drive и другие. Самый дорогой — Tesla Model X стоимостью не менее 9 миллионов рублей. Самый дешевый — Renault Twizy за 949 тысяч рублей.

Коммерческие станции подзарядки для электромобилей взимают плату не за электроэнергию, а за время подключения. Стоимость составляет от 10 до 15 рублей за минуту. При силе тока до 125A и напряжении 550В аккумулятор Tesla Model 3 будет полностью заряжен примерно за 50 минут. При стоимости минуты 10 рублей за полный цикл придется заплатить 500 рублей. С учетом среднего запаса хода в 320 километров стоимость одного километра составит 1,56 рубля.

Так выглядит сборная аккумуляторная батарея в электромобиле
Описание
Так выглядит сборная аккумуляторная батарея в электромобиле

Поскольку в России нет инфраструктуры водородных заправочных станций, о цене топлива для водородных автомобилей можно судить лишь по рынкам других стран. Так, в Германии 1 килограмм водорода стоит 9,5 евро, и заправка 4,7 кг (средний объем топливного бака) обойдется примерно в 45 евро. При запасе хода в 600 км стоимость одного километра составит примерно 0,75 евро.

И для сравнения: в России стоимость 1 километра, пройденного на автомобиле, потребляющем 10 литров бензина с октановым числом 92 на 100 км, сегодня составляет примерно 4,3 рубля.

Вот вы какие, оттенки зеленого

Вместо угарного и углекислого газа из выхлопной трубы Toyota Mirai выходит обыкновенный водяной пар. В результате реакции холодного горения образуется обыкновенная вода, а поскольку в процессе выделяется много энергии, вода превращается в пар, который и является единственным «выхлопом» автомобиля на водородных топливных элементах. Вредных выбросов в атмосферу нет — совсем нет. Да и воды получается немного — согласно данным теста, выделение жидкости на 1 километр пробега составляет примерно 70 миллилитров.

Ситуация с экологическими характеристиками электромобилей идентична. Вредных выбросов и углекислого газа они не производят, однако, в отличие от автомобилей на водородных топливных элементах, электричества сами не генерируют. По этой причине в мире не прекращаются споры о том, действительно ли электромобили стоит считать «зелеными». Причина в том, что более 60% от общего объема выработанной электроэнергии на планете генерируют электростанции, потребляющие ископаемые виды топлива. Естественно, при работе этих энергетических комплексов в атмосферу попадают вредные вещества, которые косвенно можно считать «выхлопом» электромобилей. Доля выработки гидроэлектростанций, по данным Международного энергетического агентства (IEA) за 2011 год, составляла немногим более 16%, доля АЭС — около 13,5% и лишь 3,3% от общей выработки — это энергия из возобновляемых источников. Таким образом, реальная «экологичность» электромобиля будет расти по мере развития альтернативной энергетики.

Что выбрать покупателю?

Ответ на этот вопрос зависит на сегодняшний день от страны, в которой вы живете. Электромобили и автомобили на водородных топливных элементах совершенно бесполезны без инфраструктуры. По данным H2stations.org, в Германии в 2017 году были введены в эксплуатацию 24 общественные заправочные водородные станции. В США действует 40 станций, в Японии — 91. Всего в 2017 году было открыто 64 новые станции по всему миру. В России водородных станций пока вообще нет.

Ситуация с пунктами подзарядки электромобилей в России гораздо более благоприятна. В Москве действует 281 зарядочная станция и еще 58 работают в Подмосковье. В Санкт-Петербурге — 45, 136 — на острове Русский во Владивостоке, 23 — в Ставрополе, 14 — в Казани, 2 — в Красноярске, 1 станция — в Кемерово. Однако и по этому параметру Россия все еще сильно отстает от других стран. Для сравнения: в Лондоне на конец 2016 года действовало 11 736 зарядных станций для электромобилей.

Если абстрагироваться от высокой стоимости транспортных средств и состояния инфраструктуры, становится ясно: электромобили и автомобили на водородных топливных элементах — не конкуренты. У каждого из них своя ниша. Электромобили больше подходят для перемещения в пределах города, в то время как средний запас хода в 600 километров Toyota Mirai позволяет использовать ее для путешествий. Литий-ионные аккумуляторы электромобилей теряют часть емкости при падении температуры — следовательно, автомобили на топливных элементах больше подходят для регионов с холодным климатом. И пока не существует технологических предпосылок, которые позволили бы говорить о том, что эти особенности удастся преодолеть в будущем. Ясно одно: будущее точно за одним из этих двух новых видов транспорта.

 Дмитрий Александров