В центре компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН завершают создание первой российской автономной водородной заправочной станции. А в ноябре прошлого года беспилотный грузовик с гибридным — электрическим и водородным — двигателем проехал по интеллектуальному сегменту центральной кольцевой автодороги в Москве. Какие перспективы у водородного транспорта и сколько он будет стоить на АЗС, нам рассказал руководитель центра компетенций, доктор химических наук Юрий Добровольский.
Что такое водородный транспорт
Водородный автомобиль приводится в движение электромотором. Электричество, которое питает этот мотор, получают в результате знакомой нам со школы химической реакции водорода и кислорода. В этом отличие водородного транспорта от классического электромобиля, которому нужна розетка для зарядки и большие аккумуляторы.
Транспорт на водороде не производит выхлопов. Единственный продукт химической реакции — обычная вода. КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 35%, а КПД водородного топливного элемента — 45–50%.
Опасность водорода связана с его высокой летучестью и легкостью воспламенения. Поэтому разработчики изобретают безопасные системы хранения водорода — композитные баки с многослойными стенками. Об этом я расскажу ниже.
Где нужны водородные машины
В России, наверное, еще долго не будет востребован личный водородный транспорт, так как для него пока нет инфраструктуры. В городских условиях легче заправляться электричеством, заряда батареи хватает на дневной пробег. В ближайшее время водород может «выстрелить» на общественном транспорте и коммунальной технике, то есть там, где не нужно массовое распространение заправок и в конце смены вся техника возвращается в парк. Например, на всю Москву хватит десятка таких заправок — по числу автопарков.
В чем проблема с московскими электробусами? Все знают, что зимой их отапливают при помощи дизельных печек. Это не только портит их имидж, но и практически сводит на нет всю экологичность летнего использования. К тому же электробус в основном возит не пассажиров, а аккумуляторы, потому что даже у самых лучших литий-ионных батарей сравнительно низкая энергоемкость, 250–260 ватт-часов на килограмм, и одновременно их требуется очень много. Сравните: самый плохой топливный элемент с водородным баком — это 750 ватт-часов на килограмм. В 30-киловаттном автобусе на водороде мы получаем «сверху» еще 30 киловатт тепла, которым можно, например, отапливать салон.
Водород выигрывает и на дальних перевозках: на литий-ионных аккумуляторах машина едет 250 километров, а такой же экземпляр на водороде проезжает 1000 километров. В России это важно.
«Электробус в основном возит не пассажиров, а аккумуляторы, потому что даже у самых лучших литий-ионных батарей очень низкая энергоемкость».
Любой водородный автомобиль оснащен аккумулятором, то есть это всегда гибрид. Думаю, со временем все разделится на ниши: общественный транспорт будет водородным, а личный в основном электрическим. Войдет в практику модульная система: в зависимости от того, куда и как надо ездить, производитель будет предлагать покупателю емкость аккумулятора и тип водородного модуля. По городу это может работать 50 на 50, а за городом будут применять так называемый водородный удлинитель пробега: когда кончается заряд аккумулятора, машина переходит на водородное топливо и едет дальше.
Совместно с компанией «Электротранспортные технологии» мы разработали беспилотную автомобильную платформу с водородным удлинителем пробега. Она может пройти до 500 километров и взять 1,5 тонны груза. Этот проект может стать коммерчески успешным.
Какой бывает водородная инфраструктура
Главное ограничение для развития водородного транспорта в России сейчас — отсутствие водородных заправок и водородной инфраструктуры в целом. В Лондоне автобусы заправляют водородом с 2001 года, а в России пока есть только одна мобильная заправка в контейнере, и она стоит у нас во дворе института. Такая заправка стоит дороже электрической, к тому же пока нет законодательства для их работы: регламенты по безопасности не приняты.
«В ценообразовании важна именно логистика — развозить сжатый водород в баллонах стоит дороже, чем производить его».
Инфраструктура может развиваться в нескольких направлениях. Например, можно построить централизованный большой завод, с которого водород будут доставлять на АЗС. Но это дорого. У России преимущество: во многих городах у нас есть трубопроводы низкого давления с бытовым газом. Их можно использовать, чтобы получать водород прямо на заправке — это позволит снизить его стоимость.
В ценообразовании важна именно логистика — развозить сжатый водород в баллонах стоит дороже, чем производить его. Тут нужно будет выбрать между локальным производством прямо на заправках и глобальным на больших заводах.
Мы сейчас разрабатываем три вида производства водорода: из газа на обычной газовой заправке, из газа на большом заводе и из электричества, полученного, например, с помощью возобновляемых источников, при помощи электролизера.
В целом этой проблемой должно заняться государство, обеспечив хотя бы начальный толчок для появления инфраструктуры. Водородного транспорта не будет, пока нет заправок, но и заправок не будет, пока нет водородного транспорта.
«Водородного транспорта не будет, пока нет заправок, но и заправок не будет, пока нет водородного транспорта».
Какое топливо дешевле
Мы оценили полный жизненный цикл автобусов с разными видами топлива. Есть базовая цифра: если водород будет стоить дешевле 4 долларов за килограмм, то километр пробега на водороде будет стоить меньше, чем на бензине и чем на электричестве.
Цена водорода зависит от способа его получения, это так называемая цветность водорода. Объясню подробнее. Самый дешевый водород получают при помощи парогазовой конверсии: смешивают метан и воду, нагревают, получают водород и углекислый газ. Это «серый» водород, и он вреден климатически: выброс в атмосферу большого количества углекислого газа — это плохо. Такой водород сейчас стоит 2–2,5 доллара за килограмм. Для электротранспорта, как я уже говорил, это уже дешевле, чем электричество. Но при использовании такого водорода вред перевешивает пользу.
Есть технологии захоронения или использования получаемого при конверсии углекислого газа. Если его утилизировали, то полученный в процессе водород называют «голубым».
«Если водород будет стоить дешевле 4 долларов за килограмм, то километр пробега на водороде будет стоить меньше, чем на бензине и электричестве»
Существует еще ряд способов получения водорода, например, пиролиз или крекинг, когда при нагревании газа выделяется водород и углерод, то есть графит или сажа.
Самый экологичный водород получают путем электролиза: под действием электричества воду разлагают на кислород и водород. Кислородом обогащаем атмосферу — водородом заправляем машину. Звучит отлично, но у этого метода тоже есть свои минусы. Во-первых, электролиз дороже «серого» способа примерно в 10 раз. Во-вторых, важно, какое электричество мы используем для электролиза. Например, в Германии большая часть электрогенерации угольная, то есть получается, что мы производим якобы чистое топливо при помощи полученного грязным способом электричества.
У России здесь есть преимущество, так как у нас много гораздо более чистых атомных и гидроэлектростанций, которые не создают выбросы. Здесь есть тоже цветность: «атомный» водород называют оранжевым, а самый экологичный, полученный с использованием ветровой или солнечной энергии — зеленым.
«Например, в Германии большая часть генерации угольная, то есть получается, что мы производим якобы чистое топливо при помощи полученного грязным способом электричества».
Что изменилось с эпохи первых водородных двигателей
Водородные топливные элементы разработали еще в 50–60-х годах. Они летали в космос и стояли на подводных лодках, в СССР сделали первый в мире водородный самолет: 15 апреля 1988 года совершил первый полет Ту-155 с двигателем на жидком водороде. Россия была одним из лидеров этой технологии. С точки зрения науки с тех пор ничего принципиально не изменились. Но многое изменилось с точки зрения техники.
«Самый чистый водород получают путем электролиза: под действием электричества воду разлагают на кислород и водород. Кислородом обогащаем атмосферу — водород заправляем в машину».
Первое: водородные установки стали легче. Киловаттная установка, которая летала в космос, весила 150 килограммов. Сейчас мы сами выпускаем 30-киловаттный модуль, и он весит меньше 20 килограммов. Мы преодолели технологический барьер: вместо бака бензина сегодня можно установить баллон водорода — и не придется менять габариты машины.
Второе: сильно повысили безопасность водорода. Раньше для хранения водорода использовали баллоны высокого давления, это чугунные чушки, которые при взрыве превращались в осколочную гранату. Сейчас есть углепластиковые баллоны, они просто раскрываются под давлением.
Будущее водородных машин в России
В России пока нет производства водородных автомобилей, но есть все для создания и самих машин, и инфраструктуры. У автопроизводителей огромный интерес: КамАЗ занимается водородными автобусами, а ГАЗ — водородными грузовиками. Плюс есть установка от власти обратить на эту тему внимание. Я участвую в разработке дорожной карты водородной энергетики. Еще год назад я говорил с Минтрансом, и меня убеждали, что ничего не выйдет. Сегодня их позиция изменилась, к тому же все увидели, что это оправданно экономически.
«Вместо бака бензина сегодня можно установить баллон водорода — и не придется менять габариты машины»
Англия в 2025 году отказывается от двигателей внутреннего сгорания, автопроизводители на Западе прекращают разработку новых ДВС. Мир начинает переходить к «зеленой» энергетике и транспорту. Будем ли мы маргинальной страной, где топят дровами и ездят на бензине?
Лет через пять производители полностью поделят мировой водородный рынок. Переход от ДВС к электродвигателям уже сделали — значит, полпути пройдено. Десять лет назад никто не представлял себе электробусы, а их уже 200 в Москве. Но электротранспорт всегда будет заряжаться медленно, мы не можем изменить скорость переноса массы от одного электрода к другому. Водородный автомобиль заправляется от 2 до 4 минут, то есть по удобству заправки он как бензиновый. На водороде машина едет дальше и стартует на морозе: мы проводили лабораторные старты в минус 34 градуса в естественных условиях. Топливный элемент работал без всяких проблем.
«Лет через пять производители полностью поделят мировой водородный рынок».
От редакции. Мы читаем новости и видим, что Юрий Добровольский прав: историю водородного транспорта создают прямо сейчас.
23 апреля Русатом Оверсиз и Трансмашхолдинг подписали меморандум: они объединят усилия в области транспорта на водородных топливных элементах. Подразделение Русатома будет создавать топливно-заправочную инфраструктуру и энергетические установки, а дочерняя компания Трансмашхолдинга займется поездами на водородных топливных элементах. Такие поезда планируют запустить в Сахалинской области. Кроме того, компании собираются стать поставщиками транспортных энергоустановок, девелоперами и владельцами заправочной сети для водородного транспорта в Москве.
29 апреля стало известно, что японцы выпустили спортивную версию хэтчбека Toyota Corolla Sport с двигателем на водороде. Автомобиль на гоночном треке испытал японский пилот Хироаки Исиура. Г-н Исиура заметил, что водородный мотор работает так же, как привычный бензиновый. «Если бы мне не сказали про водород, я бы никогда не подумал, что в этом моторе есть что-то необычное», — отметил гонщик.