«Истину говорю вам, в будущем году земля налетит на небесную ось!», кажется так, ну, или почти так, восклицала Дарья Петровна из «Собачьего сердца» незабвенного Михаила Булгакова.
Нет, действительно, что в мире-то творится, а?!:) И что станет с ценами на топливо? Хотите сказать, что это коснется только буржуинов, а нам это по барабану, потому, как нефть у нас своя, а с ними мы больше дел не имеем? Ой! Так-ли?! Ну, да ладно, поживем-увидим.
Так или иначе, несмотря на вроде бы обоснованный скептицизм многих весьма осведомленных и грамотных людей, альтернативные силовые установки продолжают развиваться. Если посмотреть обзоры Пекинского (сего 2026 года) автосалона, так создается впечатление, что там трудно найти автомобили на «нормальных» ДВС. Как-то все больше гибриды, да «электрички».
Про гибриды и «электрички» мы уже кое-что знаем. Такого типа автомобили уже вовсю ездят по нашим дорогам и начинают потихоньку составлять конкуренцию традиционным. Знаем, про бесспорные их достоинства, но также и про недостатки, которые у них, к сожалению, безусловно имеются и в достаточных объемах.
Все мы понимаем, что если подходить с точки зрения экологии (а ведь это главная причина постепенного отползания мирового автопрома от ДВС), то гибриды это полумера, своего рода костыль на пути к электромобилям, но даже и «чистый» электромобиль, на сегодняшний день, глобальные экологические проблемы решать не особенно помогает по причинам, которые опять же всем известны.
А вот про водородный двигатель на топливных элементах, все конечно тоже слышали, но многие ли знают, что это такое на самом деле? А ведь это интересная идея! Да и не идея, и даже не рабочий образец, а двигатели, которые ставят на серийно выпускаемые, хотя и в весьма ограниченных количествах автомобили.
Так вот, «двигатель на топливных элементах» - это не совсем верный термин. Двигатель-то там самый обыкновенный. Такой же электродвигатель, как на обычных электромобилях (заметьте, мы уже говорим «обычный электромобиль»😊!), а весь фокус в источнике электроэнергии. Источником этим и являются пресловутые топливные элементы. Что это такое?
Топливный элемент состоит из анода (-) куда подается водород (из баллона) и катода (+) куда подается кислород (окружающего воздуха). Между катодом и анодом находится полимерная мембрана, которая пропускает положительно заряженные ионы (протоны водорода), но не пропускает отрицательно заряженные электроны. На мембрану, с обоих сторон нанесен катализатор (платина), который ускоряет расщепление водорода. Происходит следующий процесс: Газообразный водород под давлением поступает на анод, кислород на катод; На аноде, под действием катализатора, молекула водорода (H2) распадается на два протона H+H+ и два электрона e-e-; Протоны «проходят» через мембрану к катоду, а электроны через мембрану пройти не могут и отправляются к катоду в обход, по внешней электрической цепи (таким образом и образуется электрический ток, который питает электродвигатель); когда протоны «пройдя» через мембрану, а электроны через цепь и двигатель попадают на катод, они встречаются с кислородом и образуют воду и теплоту.
4H(+)+4e(-)+O2 => 2H2O+теплота
Чтобы реакция происходила, мембрана все время должна быть влажной. Это связано с тем, что протоны водорода, на самом деле, не проходят сквозь мембрану. Они остаются в ней и как бы «вытесняют» ставшие лишними протоны из смачивающей мембрану воды. Вообще, физика процесса довольно непростая. Кого интересуют подробности почитайте специальную литературу. Излагать это здесь, наверное, не имеет смысла.
Надо сказать, что один такой элемент дает всего 0,6-0,9 Вольта, поэтому из сотен последовательных ячеек собирают «стопку» (стек).
Силовая установка в сборе включает: Баллоны с водородом (700 атмосфер), воздушный фильтр и компрессор (нагнетать кислород к катодам), стопка топливных элементов, система увлажнения мембран, система охлаждения (КПД установки 50-60%, остальное теплота), трансформатор (повышает вольтаж), тяговый электромотор и литий-ионный аккумулятор для пиковых нагрузок и рекуперации энергии при торможении.
Что ж, едут такие автомобили совсем неплохо! Например, Hyundai Nexo при мощности 154 л.с. разгоняется до 100 км/ч за 9,5 сек и выдает крутящий момент 395 Н/м. При этом запас хода без дозаправки по разным оценкам составляет от 540 до 756 км, а заправка до «полного бака» занимает всего 5 минут.
Похожие характеристики имеет и Toyota Mirai. Она может проехать без дозаправки 650-850 км, развивает крутящий момент 335 Н/м при мощности двигателя 153 л.с. и разгоняется до сотни за 9,6 сек. А время заправки около трех минут.
В отличии от электромобилей, машины на топливных элементах не зависят от погоды. Отрицательные температуры им не страшны. Они не теряют половину хода на морозе!
Все вполне сопоставимо с «традиционными» автомобилями. При этом из побочных продуктов только вода и теплота, ни тебе CO2, ни других еще более вредных выбросов.
Топливные элементы могут заменить батареи там, где требуется очень много энергии и вес батарей становится неприемлемым. Речь, о грузовиках, автобусах, поездах и даже судах (да, и такие разработки ведутся!).
Так, что? Все получилось? Вот оно светлое «зеленое» завтра?!
К сожалению, пока еще нет.
Как мы помним, в качестве катализатора в топливных элементах выступает платина. Это очень дорого! Стоимость только платины для одной силовой установки составляет более 300 тысяч рублей! Да и баллоны высокого давления, как и мембраны не делают такие автомобили дешевле.
Кроме того, водород, даже сжатый до 700 атмосфер, занимает в 4 раза больше объема, чем бензин способный дать такую же энергию.
Но это все, может, было бы и ничего, кабы не главная, фундаментальная проблема. О ней надо рассказать подробнее. Оказывается, водород у нас делиться на трои вида, по способу получения. Он бывает «серый», «голубой» и «зеленый». «Серый» водород получают из метана. При высоких температурах 700-1100℃ метан смешивают с водяным паром. В результате реакции образуются водород и CO2, причем, на один литр добытого водорода приходится до 15 литров CO2, который, понятное дело, является вредным выбросом. Т.е. экология получается такая-себе. Это самый дешевый способ получения водорода и именно таким образом сегодня производится порядка 95% этого газа.
Технология получения «голубого» водорода такая же, как серого, но выделяющийся CO2 не выбрасывается в атмосферу, а при помощи специального оборудования улавливается и закачивается обратно в «геологические формации» (т.е. под землю) или используется. При этом 10-15% CO2 все-равно улетает в атмосферу, а остальное… видимо, тоже улетает, но делает это постепенно😊. При этом, улавливание CO2 требует значительных затрат. Стоимость «голубого» водорода значительно выше стоимости «серого», в 1,5-2 раза.
«Зеленый» водород получают из воды при помощи электролиза. На выходе имеем водород и, как побочный продукт, кислород. Ура? Нет, не очень. Действительно «зеленым» этот водород будет только если для его получения использовать электроэнергию из возобновляемых источников. А если для получения электроэнергии сжигать ископаемое топливо, то, разумеется, особого экологического смысла вся эта затея не имеет. Да и обойдется «зеленый» водород в 6-8 раз дороже «серого».
Тем не менее, водородный двигатель на топливных элементах — это не футуристическая фантазия, а работающая технология, которая уже сегодня применяется для перевозки грузов в Китае, Корее, Европе и почему-то в Уругвае😊 (потому, что Уругвай мировой лидер в производстве электроэнергии из возобновляемых источников). Она предлагает уникальное сочетание экологичности, быстрой заправки и большого запаса хода, принципиально недостижимое для «традиционных» электромобилей с батареями. Однако, что бы водородный транспорт стал по настоящему массовым нужны три вещи:
- Резкое снижение стоимости «зелёного» водорода (за счёт дешёвой возобновляемой энергии и масштабирования электролизёров).
- Технологический прорыв в области катализаторов (замена платины) и более компактных/лёгких баллонов.
- Политическая воля и субсидии: как в случае с любым новым видом топлива, государства должны простимулировать строительство первых сотен заправок, чтобы «раскрутить маховик».
Однако, даже если эти три условия будут выполнены (что в ближайшее время представляется маловероятным), массовым этот транспорт, вероятно, станет не везде, а в чётко очерченных нишах: тяжёлые грузовики, автобусы, спецтехника, поезда. В случае с обычными городскими легковушками, водород вряд ли вытеснит литий-ионную батарею из-за меньшей энергоэффективности всей цепочки «от энергии до колеса» (сначала тратится энергия на электролиз (получение водорода), затем на его сжатие/охлаждение, затем на транспортировку, и только потом — на обратное превращение в электричество в силовой установке автомобиля).
Водород и электричество — не враги, а партнёры. Электромобиль хорош для повседневных коротких поездок, а водородный — для дальних перевозок и техники, где вес и время простоя критичны. Но способны ли они, даже вместе, вытеснить углеродное топливо? Нам представляется, что на сегодняшний день, безусловно нет. «Посмотрим, что будет…», как любит говорить нынешний американский президент😊. Это действительно интересно!