Авто на воде. Когда водородный транспорт потеснит электромобили

В один из сентябрьских дней 2018 года на железнодорожном вокзале немецкого городка Бремерферд (земля Нижняя Саксония) прозвучало необычное объявление: "Внимание! К перрону прибывает водородный поезд. Пассажирам приготовиться к посадке". Двухвагонный состав Coradia iLint на топливных элементах выпущен французской компанией Alstom, имеет запас хода 1 тыс. км и способен перевозить 200 пассажиров со скоростью до 140 км/ч. Пробный запуск состоялся еще прошлой осенью, теперь начата коммерческая эксплуатация. Это самый свежий пример использования водорода в транспорте, но по-прежнему один из немногих.

Человечество многие годы пытается соскочить с нефтяной иглы. Цены на "черное золото" растут, а его запасы сокращаются. Плантации солнечных батарей и рощи ветряков по всему миру ежегодно генерируют десятки миллионов "чистых" киловатт-часов, но эта энергия растворяется в дыму тепловых электростанций, которые не только в Украине, но и в развитых Германии и США по-прежнему дают до половины всего электричества.

Те, кто думают об энергетической независимости и экологически чистом будущем, панацеей от проблем с использованием ископаемого топлива называют водород. И хотя в свободном состоянии на Земле его нет, в связанном виде (например, в воде) его запасы практически неограничены. По части экологии это и вовсе идеальный вариант: продуктом окисления водорода является водяной пар.

Звездное топливо

С одной стороны, использование водорода сулит огромные перспективы, ведь этот химический элемент обладает самой высокой удельной теплотой сгорания — чем она больше, тем меньше удельный расход топлива при одинаковом КПД силовой установки. Удельная теплота сгорания водорода — 141 МДж/кг, тогда как бензина и дизтоплива — всего 44 и 42,7 МДж/кг соответственно. Иными словами, двигатель на водороде будет втрое эффективнее традиционного двигателя внутреннего сгорания, а в выхлопе — никакого углекислого газа, сажи и канцерогенных оксидов азота.

Впрочем, чрезвычайная взрывоопасность водорода делает практически невозможным его использование в двигателях в чистом виде. Поэтому наиболее перспективным направлением считается силовая установка на топливных элементах (fuel cells), где водород выступает не как первичный источник энергии, а как энергоноситель.

В последние годы наибольшее распространение получили топливные элементы с протонообменной мембраной, где в результате химической реакции взаимодействия водорода и кислорода вырабатывается электроэнергия. Упрощенно схема выглядит следующим образом. Сжатый под давлением несколько сотен атмосфер водород в смеси с воздухом дозированно поступает в топливную ячейку, содержащую протонопроводящую мембрану с анодом и катодом. Под действием катализатора (платины или сплава платиноидов) на аноде молекулярный водород теряет электроны, которые отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (подводимым из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, в результате чего образуется вода, которая является единственным продуктом реакции. Полученная энергия заряжает бортовую аккумуляторную батарею, а та уже питает электродвигатель, приводящий в движение колеса.

По такому принципу созданы упомянутый водородный поезд фирмы Alstom и пока немногочисленные серийные водородомобили. Узость сегмента объясняется тем, что силовые установки на топливных элементах конструктивно очень сложны и требуют применения для катализаторов дорогостоящих материалов вроде платины. Не говоря уже о проблемах безопасности хранения водорода на борту транспортного средства.

Затраты на разработку и запуск в производство водородной машины исчисляются сотнями миллионов долларов без перспективы скорого возврата вложений. Вот почему среди автопроизводителей водородные изыскания могут себе позволить лишь крупнейшие транснациональные концерны: Toyota, Hyundai, Mercedes-Benz и Honda. Остальные компании, ведущие разработки в данном направлении, ограничиваются по большей части концепт-карами и декларациями.

Наибольших успехов добились Toyota и Hyundai. Японцы с 2013 года выпускают среднеразмерный (4,9 м) водородный седан Mirai с запасом хода около 500 км. В том же году в Южной Корее появился водородный кроссовер Hyundai ix35 Fuel Cell Electric, созданный на базе обычного ix35. А в начале нынешнего года в производство пошел первый водородомобиль марки на оригинальной платформе — кроссовер Nexo с запасом хода свыше 600 км. Но продажи у обеих компаний мизерные: на начало 2018 года с конвейера сошло чуть больше 4 тыс. экземпляров Toyota Mirai, а совокупный объем выпуска водородомобилей Hyundai едва превысил 1,1 тыс. экземпляров.

В 2008–2014 годах в небольших количествах выпускался водородный седан Honda FCX Clarity, на смену которому в 2016-м пришла модель аналогичной концепции под названием Clarity. Mercedes-Benz после нескольких концептов запускает в текущем году опытную эксплуатацию первого серийного автомобиля на топливных элементах. Кроссовер GLC F-Cell построен на основе известной модели GLC, обладает запасом хода 500 км и позволяет подзарядить буферную батарею от внешней электросети, что с учетом малого количества водородных заправок выглядит логично.

До недавнего времени в этой компании была и японская фирма Nissan, где работали над топливными ячейками иного типа, для которых исходным топливом служит не водород, а этиловый спирт либо его смесь с водой — твердооксидные топливные элементы SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Однако минувшим летом компания объявила о замораживании водородной программы, сославшись на бесперспективность направления: дескать, высокая цена самих машин, а также медленные темпы установки водородных заправок делают разработку водородомобилей невыгодной.

Капля водорода в бензиновом море

Каковы водородомобили на ходу? Несколько лет назад на техническом семинаре фирмы Honda в Германии за рулем седана FCX Clarity я проехал с полсотни километров по дорогам общего пользования. По комфорту, запасу пространства для пассажиров и багажа, удобству управления — никаких отличий в худшую сторону от легковушек с ДВС. В целом машина оставила приятное впечатление, если не вспоминать, что где-то в подполье багажника спрятан высокопрочный баллон с сжатым под огромным давлением водородом.

Все бы хорошо, но распространение водородных легковушек ограничивается высокими ценами. К примеру, водородный кроссовер Hyundai ix35 в свое время стоил около $80 тыс., тогда как одноклассники с ДВС обходились в полтора-два раза дешевле. Toyota Mirai стоит минимум $57 тыс., а цена запускаемого Mercedes-Benz GLC F-Cell хоть и не объявлена, но явно превысит $100 тыс., учитывая известность бренда и высокий уровень оснащения.

Даже при таких ценниках производители в большинстве случаев несут убытки, поскольку розничная цена заведомо ниже себестоимости производства — для фирм, занимающихся водородом в сегменте легковых машин, это пока не бизнес, а имиджевый проект, инвестиции в будущее.

Более того, продажи идут точечно. Toyota и Hyundai предлагают авто у себя на родине, в США и на избранных рынках Европы, причем зачастую речь идет о лизинге или аренде для корпоративного сектора, а не о свободной продаже. В тех же Штатах сбыт сосредоточен в основном в Калифорнии, где действуют самые жесткие в мире экологические нормы.

Казалось бы, зачем заморачиваться с водородом, если есть электромобили? По цене они заметно приблизились к обычным автомобилями, да и запас хода на уровне 300–500 км реального пробега, который обеспечивают новейшие модели, делает привлекательной их покупку.

Водородный поезд. С осени 2018 года поезда Coradia iLint на топливных элементах начали курсировать в Германии

Но здесь есть подводные камни. Во-первых, пресловутая экологичность электромобилей мнима, если брать в расчет последующую утилизацию отработавших батарей и полный цикл производства электроэнергии, где по-прежнему немалую роль играют тепловые электростанции. Плотность энергии в современных литийионных аккумуляторах оставляет желать лучшего: батарея, которая обеспечивает пробег 500 км, весит 300–400 кг, а время зарядки даже на суперчарджере несравнимо больше, чем заправка бака бензином. Кроме того, дальнейшее развитие электротранспорта ограничивают возможности производства батарей, что, в свою очередь, связано со сложностями добычи лития. Вывод: дальнейшее удешевление электромобилей под вопросом.

В этом свете машины "на батарейках" — временное решение на ближайшие 20–30 лет, в среднесрочной перспективе потенциал водорода куда выше.

Три сотни на весь мир

На пути распространения водородного транспорта существует немало проблем. Для производства самого водорода тоже необходимо электричество, а значит, встает вопрос о его "чистоте". Наряду с высокой ценой водородомобилей еще одним преткновением является почти полное отсутствие инфраструктуры.

Стран, где целенаправленно развивают сети водородных заправок, еще меньше, чем компаний по производству самих водородомобилей. Германия, США и Япония — вот и все. В остальных точках планеты случаи строительства заправок единичны или их вовсе нет, либо станции недоступны для общественного пользования. Но и в стане лидеров расширение идет черепашьими темпами: в 2017-м в Германии построены всего 24 общественных водородных заправки, в Японии — 11, а в США только пять, причем все — в Калифорнии.

По данным Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, международной консалтинговой компании в сфере устойчивой энергетики и мобильности, на начало 2018 года в мире насчитывалось лишь 325 водородных заправок: 139 в Европе, 118 в Азии и 68 в Северной Америке. Это не идет ни в какое сравнение со стремительно расширяющейся сетью зарядных терминалов для электромобилей, которых каждый год в мире открывается несколько десятков тысяч.

Почему процесс движется столь медленно? Дело в том, что строительство одной такой станции обходится в несколько сотен тысяч долларов и сопряжено с множеством трудностей, начиная с создания условий для безопасного подвоза и хранения топлива и заканчивая собственно заправкой машины. При нынешнем уровне распространения водородомобилей расширение сети заправок для них равноценно закапыванию денег в землю, на чьи бы средства — государственные или частных энергетических компаний — это ни делалось. Сегодня компания Shell — единственная среди крупных топливных операторов мира — участвует в создании сети водородных заправок. В марте и июне 2018 года она запустила первые водородные заправки в Великобритании и Канаде, а к 2023-му рассчитывает открыть 400 таких станций по всему миру.

Получается замкнутый круг: число водородных заправок не будет расти, пока не начнут массовый выпуск машин на водороде, а те, в свою очередь, не получают распространения — в том числе из-за отсутствия инфраструктуры.

Быть или не быть?

Невзирая на все сложности использования водорода на транспорте, подвижки в этом направлении есть. Наиболее перспективный сегмент использования — грузопассажирские перевозки: грузовики, автобусы, поезда, возможно, и самолеты с силовыми установками на топливных элементах имеют право на жизнь даже при нынешнем уровне развития технологии и стоимости систем.

С 2021 года количество водородных локомотивов Alstom в Германии ощутимо вырастет: проект стоимостью свыше 80 млн евро, осуществляемый при поддержке нижнесаксонского транспортного ведомства, предполагает вывод на линии еще 14 поездов, которые будут курсировать между населенными пунктами округа.

В конце сентября на "грузовом" автосалоне IAA Commercial Vehicles в Ганновере южнокорейский концерн Hyundai объявил о планах со следующего года начать поставки водородных грузовиков в Швейцарию, что станет первым подобным проектом в мире. Концепция машины была представлена на той же выставке: полная масса 18 т (с прицепом — 34 т) и запас хода 400 км, обеспечиваемый 33 кг водорода. Со стороны Швейцарии партнером выступила компания H2 Energy, которая обеспечит инфраструктуру и поставку водорода. Всего до 2023 года Hyundai поставит в Швейцарию 1 тыс. таких грузовиков — и это притом, что до сих пор в мире продано немногим больше 1,1 тыс. водородных легковушек данной марки. В будущем компания не исключает запуск аналогичных проектов в США и Китае.

В пику компании Tesla с ее электрическим тягачом Semi американская фирма Nikola Motor разрабатывает семейство большегрузных грузовиков с силовыми установками на топливных элементах. Максимальный запас хода должен составить 1200 миль на одной зарядке, правда, до ходовых испытаний в отличие от Tesla дело пока не дошло.

А вот североамериканским отделением Toyota вместе с компанией US Hydrogen в 2018 году на основе магистрального грузовика построен уже второй экспериментальный водородный автопоезд, который вовсю гоняет по дорогам Штатов. И если запас хода машины первого поколения едва достигал сотни миль, то теперь тягач способен проехать на одной заправке минимум втрое большее расстояние. У себя на родине компания в конце марта объявила о старте продаж Toyota Sora — первого водородного автобуса, получившего сертификацию в Японии.

Это лишь несколько новостей, поэтому высока вероятность того, что уже в ближайшие десятилетия водородные транспортные средства перестанут быть диковинкой. Например, в течение следующих пяти лет в Южной Корее частные компании совместно с правительством намерены инвестировать свыше $2,33 млрд в транспорт на топливных элементах. Деньги пойдут на развитие инфраструктуры заправок и строительство заводов по выпуску водородных машин — в первую очередь автобусов и грузовиков.

А что до персональных авто, то о массовом выпуске легковушек на водороде производители задумаются разве что в случае одномоментного резкого роста цен на нефть и литий. Пока такой сценарий маловероятен. Тем не менее в известной консалтинговой фирме McKinsey & Co прогнозируют, что объем индустрии автомобилей на топливных элементах составит около $2,5 трлн к 2050 году. К тому времени, как считают в международной организации European Climate Foundation, на их долю будет приходиться 26% в общемировом объеме продаж.