В современном мире экологическая повестка — не пустой звук. Наша страна является активным участником программы по борьбе с изменениями климата под эгидой ООН и стремится со временем достигнуть углеродной нейтральности. Это делает переход на автомобили с меньшими выбросами углекислого газа, а то и вообще без таких выбросов, практически решённым делом.
Водород и природный газ в качестве топлива находятся в первых рядах исследователей по всему миру в качестве возможной альтернативы как традиционным автомобилям, работающим на бензине и дизельном топливе, так и набирающим популярность автомобилям электрическим. Водородные двигатели чрезвычайно экологичны, так как их выхлоп сводится к водяному пару. Двигатели, работающие на природном газе (их также называют метановыми, по названию метана — основного компонента природного газа), выбрасывают CO2 и ряд других продуктов сгорания. Однако они в целом считаются более экологичными, чем двигатели, работающие на бензине и дизельном топливе. Количество выбрасываемого в атмосферу углекислого газа у двигателей на метане в разы меньше, чем у бензиновых. Они также меньше задымляют окружающий воздух. Природный газ перед применением подлежит очистке с целью повышения эффективности использования и снижения экологических издержек.
И метановые, и водородные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Поэтому у них много общего с теми же бензиновыми двигателями. Однако достаточно широкое распространение также получили автомобили на водородных топливных элементах, которые больше напоминают электромобили: они используют электричество, сгенерированное в топливных элементах, для запитывания электродвигателя. А вот метановые топливные элементы пока находятся на стадии исследований.
Поскольку водородные двигатели внутреннего сгорания работают эффективнее при высоких нагрузках, а водородные топливные элементы, напротив, более эффективны при низких, это предопределило направления их преимущественного использования: грузовой транспорт — на ДВС, легковые авто — на топливных элементах. Топливо, закачиваемое в баки автомобилей, будь то водород для сгорания в ДВС или водород, обеспечивающий работу топливных элементов, поставляется в сжатом газообразном виде. Это же касается и автомобилей с ДВС, работающих на природном газе. Вопреки распространённому мнению, эти виды топлива в сжиженном виде для заправки автомобилей пока не используются, но разного рода исследования и опытные разработки в этом направлении ведутся.
Какой же автомобиль эффективнее: метановый или водородный? Дело в том, что молекулы водорода содержат в несколько раз меньше энергии, чем молекулы метана. Поэтому, чтобы заправить автомобильный бак таким же количеством потенциальной энергии, необходимо туда поместить гораздо больше молекул водорода. Иными словами, газообразный водород должен будет находиться под значительно большим давлением, чем газообразный метан. В мире нашли широкое распространение водородные баки, работающие под давлением 700 бар: например, установленные в авто на водородных топливных элементах Toyota Mirai. Это очень серьёзная цифра. Для сравнения: давление на дне тихоокеанской Марианской впадины (глубиной около 11 км), самом глубоком месте нашей планеты, составляет 1086 бар. Природный газ обычно находится под давлением «всего» 200-250 бар. К бакам высокого давления предъявляются более высокие требования, чем к обычным бензиновым. Их стоимость, соответственно, значительно выше. В частности, для изготовления водородных баков широко используются композитные материалы.
Запас хода автомобилей, работающих на природном газе, в целом сопоставим с традиционными авто на бензине и дизельном топливе. При этом ощущается некоторая потеря мощности двигателя. Зато стоимость километра пробега может быть раза в два дешевле из-за меньшей стоимости метана. Конечно, цены на разные виды топлива определяются на биржах, так что чётких пропорций не существует. Но в целом можно сказать, что затраты на топливо в случае с природным газом существенно меньше.
Водородные автомобили обычно несколько уступают по запасу хода бензиновым. К тому же здесь в полный рост встаёт вопрос цены. Водородное топливо чрезвычайно дорого. К примеру, в американской Калифорнии стоимость километра пробега на водородном топливе примерно в два раза выше, чем на бензине. И это при том, что Калифорния — мировой лидер по насыщенности водородными заправочными станциями. Ну а стоимость пробега на водороде и на метане не стоит даже сравнивать.
Итак, можно сказать, что эксплуатация автомобиля на природном газе обходится существенно дешевле водородного, однако водородные двигатели более экологичны. Хотя остаётся открытым вопрос об источнике получения водорода. Ведь сам процесс производства тоже может нанести вред экологии. И тут начинается самое интересное. Получить водород и при этом не нанести вред экологии, к сожалению, невозможно. Можно только минимизировать ущерб. Но чем более «чистым» будет процесс получение водорода, тем более дорогим по итогу будет это топливо.
Сам водород невидим, но принято присваивать ему цвет: чёрный, серый, синий или зелёный, в зависимости от способа производства. Наиболее распространён серый водород. Он вырабатывается из природного газа (метана) в процессе парового риформинга. Если при этом используется оборудование, частично улавливающее образующийся углерод, такой водород называют синим. Ну а если водород получают методом электролиза из воды, при котором она расщепляется на водород и кислород, безо всякого углеродного выброса, то такой водород называют зелёным. При этом необходимо, чтобы энергия, потребляемая в процессе электролиза, была получена из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и энергия ветра. Однако при производстве и утилизации оборудования для «зелёной» энергетики тоже происходит воздействие на экологию. Но считается, что оно всё же меньше, чем при других способах. Водород, получаемый из чёрного битуминозного или бурого угля, называют чёрным. Этот процесс самый неэкологичный.
В Евросоюзе и США метановые заправочные станции (Compressed natural gas, CNG) встречаются практически повсеместно, но, разумеется, тоже значительно реже, чем традиционные автозаправки. С водородными заправочными станциями ситуация находится на приемлемом для относительно нормальной эксплуатации уровне всего в нескольких регионах мира: в американских штатах Калифорния и Гавайские острова, а также в Японии и Германии. Водородные заправки изредка можно встретить и в других странах Евросоюза, Южной Корее и Китае.
В России водородные автомобили пока не распространены. Однако работы в этом направлении идут. В 2021 году «КАМАЗ» презентовал свой пилотный водородный электробус КАМАЗ-6290, работающий на водородных топливных элементах. В сентябре 2023 года Ярославский Моторный Завод представил водородный двигатель ЯМЗ-535 H2, предназначенный для автомобилей массой свыше 8 тонн. А вот установка газобаллонного оборудования, позволяющее автомобилю работать на метане, для России дело обычное. Как, впрочем, и оборудования, позволяющего работать на сжиженном углеродном газе (продукт переработки нефти, представляющий собой смесь пропана, бутана и ряда других углеводородов). Но количество соответствующих заправочных станций всё ещё оставляет желать лучшего.
Россия— крупнейший в мире производитель природного газа. При необходимости она, соответственно, может стать и крупнейшим производителем водорода. Другой вопрос, что на данный момент до конца неясно, в каком направлении пойдёт развитие автомобильного транспорта. Не исключено, что и набирающие силу электромобили, и авто на природном газе, и на водороде, и ещё на самых разных видах топлива займут свою часть рынка. Да и традиционные бензиновые и дизельные автомобили ещё не один десяток лет будут продолжать играть ведущую роль в мире. Но самое главное, чтобы наша страна, наконец, построила собственный передовой автопром, независимый от дружественных и недружественных стран, и такие предприятия как Ярославский моторный завод дают основания на это рассчитывать.