В ноябре 2021 года премьер-министр Великобритании Борис Джонсон объявил о заре революции в области электромобилей (EV), чему способствовали новые правила и инвестиционные обязательства на всех этапах цепочки поставок электромобилей. В 2022 году в Великобритании начнутся новые проекты, от зарядных станций до производства электроэнергии. Но есть один ключевой ингредиент, который изменит репутацию сектора в области устойчивого развития — водород. Здесь Симона Брукнер, управляющий директор производителя резисторов Cressall, объясняет, как водород может сделать революцию в области электромобилей в Великобритании реальностью.
В связи с надвигающимся запретом на производство новых дизельных и бензиновых автомобилей, поощрение широкого выбора потребителями более экологичных автомобилей становится неотложной задачей. Похоже, что потребление растет — по данным Общества производителей и продавцов автомобилей (SMMT), спрос на аккумуляторные электромобили (BEV) увеличился более чем вдвое в период с ноября 2020 года по ноябрь 2021 года. В связи с этим возникает задача: куда двигаться, чтобы сделать BEV углеродно-нейтральным.
Недостатки аккумуляторных автомобилей BEV в части углеродной нейтральности
Полностью обезуглерожить BEV сложно. Использование энергии из национальной сети означает, что источники, используемые для производства электроэнергии, напрямую влияют на воздействие электромобилей на окружающую среду. Энергосистема становится все более возобновляемой, и к 2050 году она должна стать нулевой. Но есть и дополнительная проблема. По данным Комитета по изменению климата, спрос на электроэнергию удвоится с сегодняшних 300 ТВт-ч до 610 ТВт-ч к 2050 году благодаря внедрению BEV.
Таким образом, чтобы выполнить двойную задачу по увеличению предложения и обезуглероживанию производства электроэнергии, правительство инвестирует в управляемые низкоуглеродные источники для поддержки переменных возобновляемых источников энергии, зависящих от погоды, для питания сети, когда производство не соответствует спросу. Между тем, производство электроэнергии на ископаемом топливе негативно влияет на устойчивость BEV.
У BEV также есть некоторые дополнительные экологические проблемы, связанные с их зависимостью от литий-ионных аккумуляторов. Редкоземельные металлы, включая кобальт, никель и марганец, являются основными компонентами литий-ионных аккумуляторов. Добыча этих материалов может привести к огромному разрушению окружающей среды, нарушая целые экосистемы, а используемая тяжелая техника способствует еще большему количеству выбросов. Итак, есть ли более устойчивый вариант?
Водород: топливо будущего
Водород является многообещающим ресурсом, который играет ключевую роль в обеспечении безуглеродного будущего транспорта. Промышленное производство водорода обычно осуществляется путем электролиза — с использованием электрического тока для разделения воды на водород и кислород.
Водород можно получить разными способами, каждый из которых соответствует своему цвету. Большая часть водорода, производимого в Европе, в настоящее время является «серым» — его производят путем смешивания природного газа и пара для создания водорода и двуокиси углерода в процессе, известном как паровая конверсия метана.
Проблема с этим методом производства заключается в том, что он полагается на ископаемое топливо для производства водорода, что противоречит предполагаемому превосходству водорода в области устойчивого развития по сравнению с автомобилями с бензиновым и дизельным двигателем. Однако если для производства электроэнергии используется возобновляемый источник, то получается полностью углеродно-нейтральное водородное топливо, известное как зеленый водород.
Правительство поставило цель производить 5 ГВт зеленого водорода к 2030 году и уже объявило об инвестициях в такие проекты, как ветряная электростанция Whitelee недалеко от Глазго, которая будет использовать энергию ветра для выработки электроэнергии для производства водорода.
Зеленое производство электроэнергии
Водород, полученный таким образом, затем можно использовать в качестве источника топлива для альтернативы BEV: электромобилей на топливных элементах (FCEV). FCEV питаются от топливных элементов с протонообменной мембраной. FCEV превращают водород в электричество, объединяя водородное топливо с воздухом и закачивая его в топливный элемент. Оказавшись внутри топливного элемента, это запускает химическую реакцию, приводящую к извлечению электронов из водорода. Эти электроны затем создают электричество, которое хранится в небольшой батарее, используемой для питания автомобиля.
FCEV, работающие на зеленом водороде, полностью не содержат углерода благодаря возобновляемому происхождению этих топливных элементов. Единственными конечными продуктами реакции топливных элементов являются электричество, вода и тепло, а единственными выбросами выхлопных газов являются водяной пар и воздух. Это делает их более согласованным выбором с нулевыми целями, что обеспечивает широкое распространение электромобилей с нулевым выбросом углерода.
Делаем водород жизнеспособным
Хотя преимущества FCEV очевидны, лежащие в их основе технологии все еще нуждаются в доработке. Топливные элементы не могут долго работать под большими нагрузками, что создает проблемы при быстром разгоне или торможении.
Исследования работы топливных элементов показали, что, когда FCEV начинает разгоняться, выходная мощность топливного элемента постепенно увеличивается до определенного уровня, но затем она начинает колебаться и падать, несмотря на то, что скорость остается постоянной. Эта ненадежная выходная мощность представляет собой проблему для автопроизводителей.
Решение состоит в том, чтобы установить топливный элемент для более высокой потребляемой мощности, чем это необходимо. Например, если FCEV требуется мощность 100 кВт, установка топливного элемента мощностью 120 кВт обеспечит наличие 100 кВт мощности, даже если выходная мощность топливного элемента упадет. При выборе этого решения требуется резистор для удаления избыточной энергии, когда она не требуется, для выполнения функции «нагрузочного банка».
Cressall EV2 с водяным охлаждением разработан специально для тяжелых условий эксплуатации, включая водородные двигатели FCEV. Он поглощает избыточную энергию системы и рассеивает ее в виде тепла, которое можно использовать для обогрева салона автомобиля. Это защищает электрическую систему, позволяя FCEV очень быстро реагировать на требования высокой мощности, а также быстро ускоряться и замедляться без накопления избыточной энергии в батарее.
Внедрение электромобилей идет полным ходом, а крайние сроки вывода из эксплуатации автомобилей, работающих на ископаемом топливе, все ближе и ближе. Хотя BEV являются основным игроком в декарбонизации транспорта, важно не исключать явных преимуществ, которые FCEV приносят рынку. Но их сочетание может стать ключом к революции электромобилей.
