Автоутопия. Будущее машин
Водород против аккумуляторов. На что тратится энергия.
В дополнение к вопросам эффективности, безопасности и транспорта существует проблема нехватки инфраструктуры водородной энергетики. К примеру, в Великобритании работают лишь девять водородных заправочных станций, и все они расположены недалеко от Лондона. Кроме того, сами по себе топливные элементы очень дорогие, а большая часть водорода в мире производится не из возобновляемых источников энергии или путем электролиза, а из природного газа. Этот процесс называется конверсией.
В ходе конверсии газ подвергается воздействию горячего пара, из-за чего распадается на монооксид углерода и водород. Затем монооксид углерода вступает в реакцию с водой, благодаря чему отделяются дополнительный водород и углекислый газ. Очевидно, что этот процесс негативно сказывается на попытках сократить выбросы CO2.
С другой стороны, если судить по весу, водороду нет равных по удельной энергоемкости, а еще он везде – в воде. Часть крупнейших игроков автомобильной отрасли считает, что все трудности, связанные с водородом, можно преодолеть, и как только это произойдет, у водорода появятся все предпосылки стать топливом, которое удовлетворит потребности человечества в устойчиво развивающемся транспорте. В компаниях Toyota, Hyundai и Honda поддерживают эту технологию, а в Daimler решили вернуться к ней после перерыва.
Среди производителей автомобилей давним сторонником водорода считается Toyota. В ней эксперименты по разработке автомобилей на водородном топливе начались еще в 1992 году, и с тех пор специалисты работают над устранением недостатков. C гибридами в компании проявили дальновидность. Существует мнение, что от разработки технологии для автомобилей до ее выхода на массовый потребительский рынок проходит 40 лет. Ситуация напоминает соревнование черепахи и зайца из одноименной басни Эзопа. Маск стремительно вышел на рынок с моделями на аккумуляторах. Toyota же действует медленнее, выбрав планомерный подход. На первый взгляд может показаться, что компания плетется позади, но в будущем она способна занять доминирующую позицию и добиться лучших результатов.
Я поговорил с Джоном Хантом, главой направления по разработке альтернативного топлива в британском подразделении Toyota. Он отметил, что компания уже долгое время ищет аккумуляторы с высокой удельной энергоемкостью. Это началось еще до производства машин, в те дни, когда Toyota выпускала ткацкие станки.
«В 1920-е годы Сакити Тоёда, дедушка компании, полагал, что электрификация – лучшее усовершенствование станка. Он объявил, что заплатит вознаграждение в 1 миллион йен тому, кто изобретет батарею с такой энергоемкостью, что она сможет стать заменой бензину. Никто не справился с этой задачей. Химические реакции в аккумуляторе протекают таким образом, что невозможно получить то же количество энергии, что и из литра бензина или дизеля».
Хотя Toyota производит электромобили, в компании все же сосредоточили усилия на гибридной технологии. Исследование водородных топливных элементов отделилось именно от этого направления. Топливо напрямую питает электродвигатель, а аккумуляторы или суперконденсаторы сохраняют энергию при снижение скорости и выделяют ее при ускорении. Фактически специалисты Toyota объединили гибридную трансмиссию с топливным элементом. Первым серийным автомобилем стала модель Mirai, выпущенная в 2015 году в ограниченном количестве. В переводе с японского название означает «будущее».
Существуют разные типы водородных топливных элементов, применяемых в производстве машин. Toyota использует элементы с протонообменными мембранами, потому что они легче остальных, но им требуются ценные металлы, чтобы те выступили в качестве катализатора (в данном случае снова платина). Конструкцию усовершенствовали таким образом, что ее практически не надо обслуживать. Исключение – периодическая замена фильтра и долив воды. В компании постепенно уменьшают количество необходимой платины. Сейчас оно лишь немного превышает тот объем, который используется в выхлопной системе обычных машин. К тому же платину можно перерабатывать. Mercedes и Hyundai применяют более современные типы топливных элементов с пониженным содержанием платины, а также они тратят значительные усилия на поиск альтернатив в виде неблагородных металлов.
Однако самая большая проблема с водородом связана совсем не с топливными элементами, а с накоплением топлива. Водород обладает необычным свойством: он способен растворяться в металлах, из-за чего создает сложности разного рода. Металл становится более ломким, а это значит, что топливные баки придется делать гораздо прочнее, что скажется на их стоимости. Более того, их придется часто заменять, так как сжатие и расширение водорода во время заправки и использования вызывают расширение и сжатие металла.
Специалисты Toyota нашли решение: бак из углеродного волокна с негорючим стеклянным покрытием, который мог бы беспрепятственно сжиматься и расширяться. Такой бак мало весит и не требует больших затрат при производстве.
Чтобы решить проблему с безопасностью при заправке водородом, Toyota поспособствовала разработке международного стандарта при помощи универсального заправочного пистолета, который подает топливо под высоким давлением, и стандартизированного соединительного элемента. Это заметно отличается от огромного количества разных разъемов и вилок, которые усложняют жизнь владельцам электромобилей. Топливо тоже стандартное, у электричества же разное напряжение и разный объем выработки по странам.
Когда я ехал за рулем Mirai, машина показалась мне на удивление обычной. По ощущениям она напоминает качественный электромобиль. Mirai ездит бесшумно, плавно ускоряется, а разгон до 100 км/ч, кажется, проходит быстрее, чем за заявленные 10,5 секунды. Топливный элемент занимает часть багажника и мест для пассажиров, но в салоне все равно достаточно просторно, чтобы туда поместилось четыре человека. Дальность поездки – 480 километров. Заправить стоит примерно столько же, сколько и бензином. К концу поездки из отверстия под полом багажника выливается немного чистой воды, и это единственный выброс автомобиля.
Сейчас цена у машины немаленькая – 66 000 фунтов стерлингов. Джон Хант ожидает, что стоимость будет снижаться на 20–25 % с каждым новым поколением, как это было с гибридами. Трансмиссия сейчас такая же, как и в современных гибридах, поэтому цена похожа. Стоимость топливного элемента и бака тоже снизится после того, как в Японии начнется серийное производство. Сейчас в год выпускаются скромные 3000 единиц, а по плану – десятки тысяч. «Я думаю, цена автомобиля третьего поколения станет доступной массовому потребителю», – отмечает Хант. Предполагается, что это произойдет ближе к концу 2020-х годов.
Построить водородную заправочную станцию для общественного пользования сейчас стоит примерно в четыре раза дороже, чем обычную АЗС с бензином или дизелем. Это еще одно серьезное препятствие, которое мешает широкому распространению водородного транспорта. Но даже небольшая сеть стала бы отличным началом. Специалисты из английского подразделения Toyota, участвующие в проекте H2Mobility, занимаются именно такими вопросами. По их подсчетам, можно обойтись 65 станциями на главных дорогах, но для большего удобства они должны встречаться через каждые 25–30 минут пути, а это значит, что потребуется установить 1100 заправочных пунктов. Но это все равно меньше, чем 8000 АЗС, которые сейчас работают в Великобритании. Постройка такой сети потребует крупных временных и финансовых вложений, но без них не обойтись, ведь в противном случае не удастся решить замкнутый круг проблем, который отягощает разговоры о водороде. Зачем строить заправки, если нет автомобилей, и зачем покупать автомобиль, если нет заправок?
