Найти тему
Отражение науки

Открытие, способное резко удешевить водородные автомобили. Новая эпоха не за горами?

Водородные автомобили получили шанс вырваться вперёд в их гонке с автомобилями электрическими за звание главного экологического автомобиля будущего.

Под капотом автомобиля на водородных топливных элементах Toyota Mirai 2020, шильдик: «топливные ячейки». Изображение: newsroom.toyota.eu
Под капотом автомобиля на водородных топливных элементах Toyota Mirai 2020, шильдик: «топливные ячейки». Изображение: newsroom.toyota.eu

Не секрет, что большинство развитых стран мира во исполнение климатической программы под эгидой ООН стремятся к достижению углеродной нейтральности, попросту — к значительнлму сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу. А этого невозможно добиться без существенного сокращения эксплуатируемых традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на бензине и дизельном топливе. Одним из продуктов сгорания такого топлива как раз и является пресловутый углекислый газ.

Второе поколение новаторского электрического седана Toyota Mirai 2020 на водородных топливных элементах с нулевым уровнем выбросов. Запас хода до 650 км, цена от 50 тысяч долларов. Изображение: newsroom.toyota.eu
Второе поколение новаторского электрического седана Toyota Mirai 2020 на водородных топливных элементах с нулевым уровнем выбросов. Запас хода до 650 км, цена от 50 тысяч долларов. Изображение: newsroom.toyota.eu

В этом причина нынешнего бурного роста производства электромобилей, которые при эксплуатации углекислый газ не выбрасывают. Однако при этом негативное воздействие на экологию планеты происходит в момент добычи сырья для мощных тяговых электрических батарей (лития, кобальта, марганца и т. д.). Ну а вопрос воздействия на экологию при последующей утилизации огромного количества отработанных батарей даже как следует не изучен.

Toyota Mirai 2020 в «разобранном» виде: под капотом — блок водородных ячеек и ряд других компонетов, сзади видна литий-ионная электрическая батарея, которая в водородном авто в качестве источника энергии выступает на вторых ролях. Под электробатареей располагается электродвигатель автомобиля. По центру виден один из двух цилиндрических водородных баков жёлтого цвета.
Toyota Mirai 2020 в «разобранном» виде: под капотом — блок водородных ячеек и ряд других компонетов, сзади видна литий-ионная электрическая батарея, которая в водородном авто в качестве источника энергии выступает на вторых ролях. Под электробатареей располагается электродвигатель автомобиля. По центру виден один из двух цилиндрических водородных баков жёлтого цвета.

Неудивительно, что автомобили с батареями на водородных топливных элементах привлекают всё больше внимания как возможная альтернатива «электричкам». Водородные батареи гораздо легче, компактнее и не требуют такого количества редких материалов, как их литий-ионные «собратья». Выхлоп водородного авто представляет собой всего лишь водяной пар. Поэтому правительства самых разных государств с энтузиазмом субсидируют создание водородных транспортных средств.

Блок водородных топливных элементов Toyota Mirai (внизу). Над ним - преобразователь энергии топливных элементов. Изображение: newsroom.toyota.eu
Блок водородных топливных элементов Toyota Mirai (внизу). Над ним - преобразователь энергии топливных элементов. Изображение: newsroom.toyota.eu

Пожалуй, самой главной проблемой, вставшей на пути массового внедрения автомобилей на водородных топливных ячейках, стала их дороговизна. Причём дорого практически всё, что имеет хоть какое-то отношение к этой технологии. Приобретение и эксплуатация водородного автомобиля обходятся значительно дороже, чем владение электромобилем и тем более автомобилем с ДВС.

Заправка автомобиля сжатым газообразным водородом. Изображение: newsroom.toyota.eu
Заправка автомобиля сжатым газообразным водородом. Изображение: newsroom.toyota.eu

Заправка автомобилей на водородных топливных ячейках происходит сжатым газообразным водородом. Это топливо значительно дороже, чем бензин и в несколько раз дороже природного газа, из которого водород, кстати, в основном и получают. В итоге при цене за 1 кг водорода 14,5 долларов на заправках в США в этом году и стоимости бензина порядка 0,9 доллара за литр, стоимость километра пробега на водородном топливе была примерно в два раза выше, чем на бензине. Неудивительно, что в такой ситуации нормой является субсидирование производителями водородных автомобилей своих покупателей. К примеру, один из крупнейших в мире производителей водородных топливных элементов японская Toyota предоставляет каждому покупателю своего водородного автомобиля Mirai бонус в 15 тысяч долларов для бесплатной заправки водородом. Выглядит очень щедро, однако владельцы этих автомобилей жалуются, что бонус быстро заканчивается, и по итогу эксплуатация таких авто всё равно «влетает в копеечку».

Цены на водород «кусаются» и в Европе, изображение: newsroom.toyota.eu
Цены на водород «кусаются» и в Европе, изображение: newsroom.toyota.eu

Да и сама батарея на водородных элементах значительно дороже литий-ионных аккумуляторных батарей. Ну а про недорогие натриевые электрические батареи и говорить не приходится. Но почему так? Всё дело в используемом катализаторе. Чтобы молекулы водорода разделить на электроны и протоны (затем электроны устремятся от анода к катоду через внешнюю цепь, создавая поток электричества), необходим катализатор. В данном случае платиновый. А платина — один из самых дорогих металлов на нашей планете. Поэтому стоимость платинового катализатора составляет порядка 60% от стоимости всего топливного элемента.

Mirai 2015: электромобиль первого поколения Toyota на водородных топливных элементах. С 2015 года продано свыше 20 тысяч единиц. Эксплуатируется главным образом в Японии и США. Изображение: newsroom.toyota.eu
Mirai 2015: электромобиль первого поколения Toyota на водородных топливных элементах. С 2015 года продано свыше 20 тысяч единиц. Эксплуатируется главным образом в Японии и США. Изображение: newsroom.toyota.eu

Неудивительно, что в разных странах интенсивно ведутся исследования по замене платины на более недорогие и доступные элементы, что привело бы к заметному снижению стоимости автомобиля. Учёные из английского университета Imperial College London недавно разработали катализатор, в котором вместо платины испольуются железо, азот и углерод, легкодоступные и недорогие материалы. Более того, учёные продемонстрировали, что такой катализатор способен обеспечивать работу топливных элементов на высокой мощности с характеристиками, сопоставимыми с платиной. Дело осталось за практическим внедрением подобных технологий.

Индустриальный пейзаж, изображение: unsplash.com
Индустриальный пейзаж, изображение: unsplash.com

А вот снизить стоимость самого водорода выглядит более сложной задачей. Здесь возникает противоречие. Если водород добывать недорогим способом, например из угля, то последствия для экологии будут таковы, что обесценят саму идею углеродной нейтральности. Если добывать из природного газа с использованием улавливающего выбросы оборудования, это будет значительно дороже. Ну а если получать водород методом электролиза из воды, используя при этом альтернативные источники энергии вроде энергии ветра и солнца, то это топливо попросту станет золотым.

Экологический пейзаж, изображение: unsplash.com
Экологический пейзаж, изображение: unsplash.com

Современные люди стали больше внимания уделять охране окружающе среды. И это правильно. Вопрос в том, сможем ли мы найти такие решения, которые с одной стороны учитывали бы вопросы экологии, а с другой -— оставались экономически приемлемыми и удобными для использования.