Водородное топливо для автомобилей

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O).

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.

Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

Получение водорода

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

• 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

• 7.Гидролиз гидридов:

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

• 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

Форма воды. Водородное топливо будет дешевле бензина

Водород становится все привлекательнее для инвесторов, поскольку он не просто отвечает современным экологическим требованиям, но вообще является источником энергии с нулевой эмиссией. Многие экспертные организации, компании и целые страны начинают всерьез рассматривать его в качестве долгосрочной альтернативы ископаемым топливам. Сфера применения водорода очень широка: от генерации электричества до транспорта, отопления и промышленных процессов. Международное энергетическое агентство (МЭА) считает, что доля водородного топлива в транспортном секторе достигнет 25% к концу XXI века.

По оценкам Hydrogen council, мировой рынок водорода может составить порядка $2,5 трлн к 2050 году. В натуральном выражении в мировом энергобалансе доля водорода может достигнуть порядка 18% от конечного спроса на энергию, что позволит сократить выбросы СО2 на 6 гигатонн в год. При этом в транспортном секторе к 2050 году доля водородных автомобилей составит от 15% до 20% (количество легковых автомобилей на водородном топливе составит около 400 млн, грузовых — 15-20 млн и около 5 млн автобусов). Для достижения этих показателей потребуется $20-25 млрд инвестиций ежегодно до 2030 года. Для сравнения: инвестиции в нефтегазовую отрасль даже в период кризиса составили около $60 млрд.

Около 20 стран, включая Японию, Южную Корею, Германию, Китай и США (в первую очередь — штат Калифорния), активно развивают сейчас рынок энергетического водорода, выстраивая партнерские связи между государственным и частным секторами. Уже работает целый ряд таких партнерств: H2Mobility Germany, H2Korea, the California Fuel Cell Partnership, and the Scandinavia Hydrogen Highway Partnership.

Новый вид транспортного энергоносителя

В мае 1937 года в Гинденбурге произошла катастрофа пассажирского водородного дирижабля, и после этого водород как топливо фактически стал изгоем для транспортного сектора. Однако технический прогресс начала XXI века вдохнул жизнь в идею использования водорода для автомобилей.

Снижение стоимости и широкое внедрение ветровых и солнечных электростанций дают возможность генерировать водород с крайне низким углеродным следом. А успех в области транспортировки сжиженного природного газа доказал, что газы могут поставляться безопасно в больших объемах и по всему миру.

Технологические достижения в области производства топливных элементов привели к тому, что водород может использоваться в батареях топливных элементов для крупной и малой энергетики, отопления и, конечно, транспорта. За последние 15 лет стоимость водородного топливного элемента снизилась с $275 до $55/кВт — более чем в 5 раз. В планах департамента энергетики США — снизить стоимость топливного элемента до $40/кВт к 2020 году, а целевым показателем для достижения конкурентоспособности с традиционным ДВС является отметка в $30/кВт. Главная привлекательность водорода заключается в том, что при сжигании в чистом виде единственным его побочным продуктом является вода.

Азиатские амбиции

Китай планирует установить до 1000 водородных заправочных станций (ВЗС) к 2030 году, обслуживающих более 1 млн водородных автомобилей (FCEV). К 2025 году он также рассчитывает превратить город Ухань (Wuhan) в ведущий водородный хаб страны. На первом этапе до 2020 года там планируется построить 20 ВЗС, обслуживающих около 3000 водородомобилей. К 2025 году в городе будут сосредоточены крупнейшие предприятия в сфере производства топливных элементов и более 100 предприятий, связанных с водородной энергетикой. Количество ВЗС возрастет до 30-100 единиц. Объем инвестиций оценивается примерно в $1,7 млрд.

В Корее, по данным Hydrogen Analysis Resource Center, в 2018 году действовало всего 12 ВЗС. Однако благодаря небольшой территории страны и правильному расположению ВЗС, водители могут пересечь всю страну на водородном автомобиле. Корейское Министерство промышленности, торговли и энергетики объявило о планах на $2,3 млрд, чтобы обеспечить 16 000 транспортных средств на водороде и построить 310 заправочных станций по всей стране к 2022 году. В соответствии с пятилетним планом ожидается, что предприятия получат государственную поддержку в разработке стеков топливных элементов и контейнеров для хранения топливных элементов, а также налоговых льгот для водителей водородомобилей.

Япония чрезвычайно активно занялась продвижением водородомобилей. Япония является одним из лидеров в области инвестиций в господдержку, регулирование и инфраструктуру для обеспечения перехода на водородную энергетику. Главная задача состоит в том, чтобы улучшить качество воздуха, значительно сократить выбросы от транспортного и промышленного секторов, уменьшить зависимость от импортируемых ископаемых видов топлива. Именно эта страна выпустила первый серийный автомобиль — Toyota Mirai. В середине 2018 года, по данным Hydrogen Analysis Resource Center, в Японии насчитывалось 94 ВЗС (Рис. 1), тогда как в Германии, которая находится на втором месте по количеству ВЗС — 44.

_{Источник: Hydrogen Analysis Resource Center}

Как указано в Strategic Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells, Министерство энергетики, торговли и промышленности Японии (METI) координирует долгосрочную стратегию, направленную на ускоренное внедрение водородомобилей, автобусов на водородных топливных элементах и установок для производства энергии на водороде. METI ожидает, что годовое потребление водорода в Японии вырастет с 4000 тонн в 2020 году до 300 000 тонн к 2030 году и 5-10 млн тонн к 2050 году. Согласно Strategic Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells, количество автомобилей на водороде должно достигнуть: к 2020 году 40 000 штук, к 2025 году — 180 000 и около 800 000 к 2030 году. Одновременно предполагается и развитие заправочных станций до 160 штук к 2020 году и около 320 штук к 2025 году с нынешних 90 штук. Ожидается, что по меньшей мере 1200 автобусов на топливных элементах будут эксплуатироваться на дорогах к 2030 году.

Что касается цен на водород на заправке, METI ожидает, что владельцы водородомобилей смогут покупать импортный водород примерно за $3 за 1 кг водорода к 2030 году (эквивалент $0,8/л бензина), а к 2050 году цена снизится до $2 за 1 кг водорода ($0,5/л бензина). Цены на ВЗС для импортируемого водорода в Японии на текущий момент составляют около $10 за 1 кг водорода ($2,6/л бензина). Таким образом, если до 2030 года нефтяные цены не упадут до $30-40/баррель, то водородное топливо будет вполне конкурентоспособно.

Япония рассматривает возможность перехода к водороду за счет импортных поставок из Брунея, Африки и Австралии. С этой целью японские компании, такие как Chiyoda Corporation, Kawasaki Heavy Industries, Iwatani, J-POWER и Marubeni, инвестируют в проекты по производству водорода в Австралии и Брунее.

Австралия — потенциальный крупный производитель водорода

В Австралии японские компании сотрудничают с AGL Energy и Shell, чтобы создать цепочку поставок сжиженного водорода в Японию (проект HESC) стоимостью $375 млн. Согласно проекту, водород будет производиться из синтетического газа, который будет получен при помощи газификации бурого угля, для обеспечения экологических стандартов будут применяться технологии улавливания и хранения углерода (CCS). Также проект предусматривает создание танкера для транспортировки жидкого водорода. Проект «уголь-в-жидкость» нацелен на коммерческий запуск к 2030 году. Планируемый объем производства водорода пока небольшой, он составит 0,25 т/сутки.

Наличие обширных пустых участков земли для строительства объектов возобновляемой энергетики, удачное географическое расположение, позволяющее генерировать большой объем солнечной и ветровой энергии и высоких инвестиций в пиковое производство возобновляемой энергии дают Австралии значительный потенциал для производства водорода.

В Южной Австралии французская компания Neoen, работающая в сфере возобновляемой энергетики, недавно объявил о планах по созданию водородного суперцентра в Crystal Brook для экспорта возобновляемого водорода в Азию. Водородный электролизер мощностью 50 МВт будет питаться от ветровой и солнечной установок общей мощностью 300 МВт, так же будет построен накопитель в 400 МВт/ч. Планируется, что производство водорода может достигнуть 20-25 тонн в сутки. Neoen уже сотрудничает с Siemens и Hyundai, чтобы построить электролизер малой мощности в 1,25 МВт.

Водород в Европе и в США

Европейские страны тоже развивают водородную энергетику, в частности и водородный транспорт, в европейских городах сейчас эксплуатируется 91 водородный автобус, тогда как 5 лет назад их было только 30. Стоит отметить, что опыт эксплуатации весьма успешен. Так, по данным партнерства FCH JU (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking), которая обеспечивает поддержку 67 водородным автобусам в Европе, интерес со стороны транспортных компаний есть и уже в ближайшие годы их парк должен вырасти до 500 единиц.

Идет развитие и легкового транспорта на водороде. Например, в пилотном проекте HyFIVE пять ведущих производителей автомобилей и другие партнеры эксплуатируют 185 автомобилей на водородных топливных элементах по всей Европе, а также строят заправочные станции. Аналогичным образом, в рамках проекта H2ME планируется строительство 29 ВЗС — в основном в Германии, и эксплуатация 200 автомобилей и 125 фургонов. Недавно под эгидой проекта была открыта первая ВЗС в Дании, и планируется производить водород путем электролиза воды, используя электроэнергию, произведенную из ВИЭ.

Развитие проектов HyFIVE и H2ME позволит водителям водородомобилей беспрепятственно путешествовать из Швеции в Италию или из Великобритании в Австрию, не беспокоясь о заправке.

Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking финансирует пилотные проекты (например, Don Quichote и HyBalance) по производству водорода как путем электролиза воды на базе ветровой и солнечных электростанций, так и опробует новые технологии термолиза воды в рамках проекта Hydrosol, и новые технологии фотоэлектролиза (проекты ARTIPHYCTION и PECDEMO). Объем инвестиций со стороны FCH JU только в перечисленные проекты достиг около 30 млн евро.

В целом сейчас, по данным Hydrogen Europe, на территории Европы осуществляется более 200 проектов в области водородной энергетики.

В США локомотивом продвижения водородомобилей является штат Калифорния. Благодаря инициативам штата к 2020 году количество ВЗС достигнет 62 единиц. На сегодняшний день количество FCEV практически достигло 5000 штук — самое большой водородный автопарк в мире (Рис. 2), а количество действующих ВЗС составило 36 единиц. При этом правительство штата ставит перед собой крайне амбициозную цель: к 2030 году количество автомобилей должно достигнуть 1 млн, а ВЗС — 1000 единиц.

Итак, применение водорода в качестве топлива пока еще не получило широкого распространения, однако многие страны и компании делают на него большую ставку, поскольку данный энергетический ресурс в сочетании с ВИЭ позволяет производить энергию с нулевыми выбросами. При этом значительное распространение этого энергоносителя ожидается именно в транспортном секторе.

На сегодняшний день лидером по количеству водородных автомобилей являются США, а по объему заправочной инфраструктуры — Япония. Крупные инвестиции делаются в Европе, главным образом в Германии и Скандинавии, и в Китае.

Отдельно стоит отметить интерес инвесторов к Австралии как к потенциальному поставщику водорода. На текущий момент, если инвестиции оправдают себя, Австралия может стать крупнейшим экспортером не только СПГ, но и водорода.

России, стране с огромными территориями, гигантскими запасами природного газа (из которого также можно производить дополнительный «зелёный» энергетический водород) и большим потенциалом по ВИЭ, тоже стоит обратить свой взгляд на этот сегмент бизнеса уже сегодня, а не быть среди догоняющих в будущем.

Водородная энергетика: прекрасное далёко

Если «зеленую» энергетику и электромобили можно считать актуальным трендом последнего десятилетия, то электростанции и автомобили, работающие на чистом водороде — это совершенно футуристичные проекты, становящиеся реальностью сегодня. Автомобили на водородных топливных элементах, такие как Toyota Mirai, уже колесят по мировым дорогам, а из их выхлопных труб выходит лишь дистиллированная вода. Мобильные автономные водородные электростанции Toshiba H2One с помощью энергии Солнца сами производят из воды водород и затем превращают его в электричество. Казалось бы, вот оно, решение всех проблем: человечество подчинило себе самый распространенный во Вселенной элемент и сделало из него абсолютно экологичный энергоноситель. Но не всё так просто, и судьба водородной энергетики очень сложна и неоднозначна.

В условиях нашей планеты водород является крайне неоднозначным энергоносителем. В отличие от нефти, угля или дерева, залежей чистого водорода на Земле нет. Его добыча — это относительно дорогой, ресурсоемкий и часто крайне «грязный» процесс.

Цветовая классификация способов добычи водорода включает пять видов добычи: черный, коричневый, серый, синий и зеленый. К цвету самого газа эта градация не имеет никакого отношения. «Черный» водород производится методом окисления нефти и черного угля, побочным эффектом чего является выброс существенных объемов CO2 — экологичным такой способ получения водорода не назовешь. Для «коричневого» водорода производится окисление редкого и дорогого бурого угля. «Серый» водород получают каталитической конверсией метана в присутствии водяного пара при температуре 1000 °C. На выходе образуются водород и углекислый газ. «Синий» водород является усовершенствованной версией добычи из природного газа, при которой побочный CO2 улавливают, не давая ему попасть в атмосферу.

Цена полученного водорода может варьироваться в зависимости от страны-производителя и цен на ископаемое топливо в ней. Водород из метана в России стоит около $1,1-1,6/кг. В странах Ближнего Востока стоимость килограмма опускается до $0,9/кг, а в Европе доходит до $2,3/кг. Энергетическая ценность 1 кг водорода равна примерно 3,7 л бензина. Выходит, что водород дешевле бензина практически втрое.

Все перечисленные выше способы добычи водорода включают в себя добычу ископаемого топлива и сопутствующие выбросы углекислого газа. Единственным по-настоящему «зеленым» видом промышленной добычи водорода является электролиз воды. Если тут вы вспомнили апокалиптичный отрывок из фильма «Кин-дза-дза!» о превращении всех морей планеты в луц (топливо), то имейте в виду, что для получения количества водорода, соответствующего современной выработке, достаточно всего 1,3% от того объема воды, который сейчас используется в мировой энергетике. И хотя для электролиза предпочтительней пресная вода, опреснение соленой воды добавит к конечной цене водорода не более 1%.

При всей привлекательности «зеленого» водорода на него приходятся смешные 0,1% (100 тыс. тонн) глобального производства, тогда как около 75% добываются из природного газа. Причина, к сожалению, прозаична: для получения текущего годового объема водорода методом электролиза электроэнергии потребуется больше, чем производится всеми электростанциями Евросоюза. Из-за высоких энергозатрат цена «зеленого» водорода находится в среднем на уровне $3,0-7,5/кг, что делает его неконкурентоспособным.

В прошлом году Volkswagen прямо заявил, что когда речь заходит о современных, экологичных и эффективных автомобилях, у компании находится немало аргументов за литий-ионные аккумуляторы и ни одного за водородные топливные ячейки, которые окисляют водород и вырабатывают электричество. И хотя эксплуатация авто на топливных ячейках приводит к выбросу на порядок меньшего объема CO2, чем у электромобилей (2,7 г против 20,9 г), экологичность, в которую входит в том числе экономная трата ресурсов, перечеркивается крайне низким КПД полного цикла эксплуатации водорода в топливных ячейках.

Проведём несложную калькуляцию: допустим, при помощи солнечной электростанции или ветряков было выработано 100 Вт — обычному электромобилю достаточно подключиться кабелем к энергосети, чтобы потребить эту энергию, а затем с небольшими потерями пустить ее на работу электромоторов. 5% мы потеряем на передаче электричества от электростанции к авто, еще 10% от изначального объема придутся на потери при зарядке и разрядке аккумулятора, и еще 5% исчезнут в электромоторе (КПД двигателя электромобиля — около 95%).

В результате из 100 Вт, выработанных электростанцией, мы получаем 80 Вт на электромоторе автомобиля.

В случае с водородными топливными ячейками ситуация пока что не в пример хуже: после выработки 100 Вт на электростанции сперва нужно потратить часть энергии на добычу водорода. При эффективности экологичного электролиза воды до 75%, 25 Вт энергии расходуются на первом этапе.

Полученный водород нужно охладить, сжать, транспортировать до АЗС и закачать в баллоны автомобиля, на что уйдет еще 10 Вт.

Теоретический КПД топливных ячеек в сферически-вакуумных лабораторных условиях достигает 83%, на деле же при преобразовании водорода в электричество в никуда уйдут заметрные 25 Вт. На этом фоне потери в электродвигателе кажутся несущественными. В конечном итоге получается, что от изначальных 100 Вт электромотору достанется менее 40 Вт — 60% выработанной энергии будут потеряны для автомобиля, но оплачены потребителем. Таким образом можно считать, что КПД полного цикла аккумуляторного электромобиля составляет порядка 80%, а КПД авто на водороде — менее 40%. В свете таких результатов скептицизм Volkswagen относительно топливных ячеек более чем понятен.

В случае с водородной энергетикой получается схожая картина, из цепочки лишь исчезает электромотор — вырабатываемое топливной ячейкой электричество отправляется либо в сеть, либо запасается в аккумуляторах. Вырабатывать электроэнергию, чтобы добыть водород и снова преобразовать его в электричество на электростанции выглядит неразумным.

Может сложиться впечатление, что водород как массовый энергоноситель обречен. Однако есть маленький, но очень важный нюанс — водороду есть куда «расти». Задавшись целью, стоимость электролиза можно значительно снизить, как и снизить цены на водород, добываемый из ископаемого топлива, при учете крупных инвестиций в отрасль. Эффективность топливных ячеек также далека от теоретических пределов. Водородная энергетика находится в самом начале своего пути, впереди ее ждет долгое развитие и совершенствование.

Прогресс в области аккумуляторов замедлился практически до стагнации — реальных, а не лабораторных успехов в области автомобильных батарей не было уже очень давно, и даже предвкушение прошлогоднего Tesla Battery Day, на котором Илон Маск обещал представить нечто прорывное, обернулось разочарованием из-за обычного перехода аккумуляторов Tesla на ячейки нового типоразмера. К тому же, цена кобальта, обязательного элемента литий-ионных батарей, весьма высока и очень волатильна: за два первых месяца 2021 года она выросла с $32 тыс. до $52 тыс. за тонну.

Как только цена водорода для конечных потребителей опустится до $4,0/кг, его применение станет экономически целесообразным на грузовом и пассажирском общественном транспорте. Легковые водородные автомобили смогут составить конкуренцию электромобилям только при стоимости водорода не выше $1,5/кг (сейчас на немецких АЗС он продается по $9,0/кг). При стоимости $3,0/кг водород становится неплохим энергоносителем для отопления в странах с дорогой электроэнергией. Да и само электричество будет выгодно получать с помощью топливных ячеек, когда водород будет обходиться в $1,9/кг. В эти ценовые рамки более-менее вписывается водород из ископаемого топлива, но смысла в его использовании на транспорте и в энергетике нет, так как исчезает экологическая привлекательность.

По оценкам объединения Hydrogen Council килограмм «зеленого» водорода можно удешевить до $1,0/кг, но для этого нужно увеличить его производство со 100 тыс. до 12 млн тонн в год к 2030 году. К сожалению, эти смелые планы выглядят утопично.

В Японии при поддержке Toshiba была построен экспериментальный электролитический завод по выработке водорода Fukushima Hydrogen Energy Research Field, работающий от собственной солнечной электростанции. Его производительность составит 900 т в год.

Водородное топливо для автомобилей

Водород практически не встречается в природе в чистой форме, поэтому первая проблема, которая стоит перед одним из видов топлива будущего — получение.

Вопреки распространенному стереотипу электролиз (химический процесс, возникающий при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита и приводящий к выделению на электродах его составляющих веществ) не единственный метод производства водорода, хотя именно его предлагают применять в бытовых электролитерах.

Об использовании водорода на службе автомобиля и начальную информацию о методах получения водорода читайте далее.

Как получают водород для использования в качестве топлива для автомобиля

Водород можно получать паровой конверсией — выделением чистой его формы из летучих углеводородов, чаще всего для этого используют метан, данный способ является наиболее дешевым.

Газификация угля также дает свои «водородные плоды» за счет преобразования твердого и жидкого топлива в горючие газы.

За производство водорода посредством термического разложения воды (пиролиза) ратуют британцы, мотивируя это тем, что сырьем в подобном случае может являться обычный мусор.

Еще одними из способов добывания водорода являются частичное окисление и группа биотехнологических методов.

Последние используют явление выделения водорода микроорганизмами (например, некоторыми водорослями при недостатке кислорода и серы), либо разложение воды с участием все тех же микроорганизмов. Благодаря использованию катализаторов эффективность последнего метода можно увеличить на треть.

Как хранят добытый для использования в автомобилях водород

Следующий задачей для водородной энергетики является процесс хранения водорода, оно возможно в трех формах: в виде сжатого газа, в сжиженном или адсорбированном состоянии, когда газ удерживается в поглотившем его веществе.

Так или иначе в каждом из этих случаев приходится решать определенную проблему: сжатый газ, несмотря на свою плотность, все-таки занимает немало места, жидкий — требует низких температур, а в случае третьей формы — это поиск подходящего материала для удержания летучего топлива, обладающего высокими поглощающими свойствами и подходящими условиями аккумуляции газа (в основе своей это углеродные наноструктуры с различными вариациями).

Заправка автомобиля водородным топливом

Следующий этап в транспортировке водорода к конечному пользователю — заправка. Различают мобильные, стационарные и домашние заправочные системы. В основном в них используется газообразный водород, хотя есть и станции, работающие с жидким топливом. В данном случае все зависит от автомобиля. Например, BMW Hydrogen 7 потребляет наряду с бензином жидкий водород, а вот его конкурент от General Motors — Opel Zafira Hydrogen 3 использует 2 бака под сжатый и сжиженный газы.

Проблемы продвижения водорода как топлива

Вообще заправочная инфраструктура — один из камней преткновения для водородной отрасли: чтобы автомобили на водороде стали популярны, для них нужна обслуживающая система, а чтобы создать эту систему, необходимо достаточное количество ее пользователей.

Что в конечном итоге сдвинет с мертвой точки решение этой проблемы — покажет время, но как и всегда вся надежда возлагается на науку, хотя здесь уже возникнет другая дилемма: наука нуждается в финансировании, а инвесторам в свою очередь нужна гарантия результативности и востребованности открытий.

Преимущества и плюсы водорода как топлива для продавцов

Из привлекательных факторов водородной инфраструктуры можно выделить время заправки автомобиля — оно составляет обыкновенно 3-5 минут (1 кг топлива по данным американских ученых необходим для 96 км пробега).

Также определенно стоит подчеркнуть, что на первых порах малые и средние заправки могли бы совмещать в себе функции производства, хранения и передачи топлива потребителю, тем самым исключив расходы на транспортировку. Однако чем больше водородных автомобилей будет появляться, тем большие размеры заправочных станций будут востребованы.

Особенности потребления водородного топлива

Наконец, пришло время поговорить об особенностях потребления водородного топлива.

Во-первых, на радость борцам за экологию снижается выброс углекислого газа и вредных продуктов сгорания в атмосферу, здесь необходимо сделать ремарку о том, что данное положительное явление может нивелироваться, если для производства самого водорода будут использоваться грязные источники энергии, так что как ни крути, а водородное дитя требует более нежного обращения, если люди хотят, чтобы из него кое-что получилось в будущем.

Во-вторых, с использованием водорода экономики стран могут стать менее зависимыми от роста цен на энергоносители.

В-третьих, КПД водородного двигателя составляет 45%, что больше, чем у его дизельного аналога. Хотя мощность первого меньше, чем у второго на 20-30%, кроме того, водород может существенно увеличить износ деталей двигателя за счет вступления в реакции с материалами, из которых они изготовлены.

Безопасность водорода как топлива для автомобиля

Далее, не следует пренебрегать вопросом безопасности — водород летуч и легко воспламеняем: закрытое пространство автомобиля может заполниться опасным газом, а уже одно то, что смесь водорода и воздуха является взрывоопасной, способно напрочь оттолкнуть от его использования. Однако не следует слишком критично относиться к этим замечаниям, все знают, насколько опасны АЭС при возникновении проблем в их эксплуатации, и тем не менее они считаются самыми чистыми производителями электроэнергии.

Кроме того, не обязательно вообще кардинально менять автомобиль и вид топлива, сегодня уже есть возможность использовать гибридный транспорт, в котором, например, используется смесь водорода и дизельного топлива, что с одной стороны сокращает его расход, а с другой — уменьшает количество вредных выбросов в атмосферу.

Также никто не запрещает использовать водород в других транспортных системах, скажем, железнодорожной и морской: здесь не так важна компактность топливных емкостей, а в случае применения водорода в качестве топлива, например, для подводных лодок, они приобретают существенный козырь — практически полное отсутствие шумов.

Вывод о водороде как о топливе для автомобиля

Водородной отрасли нужно дать время развиться, хотя сегодня оно как никогда напоминает ускользающий через пальцы песок, потому как уже появляются автомобили на гибридных электро-дизельных или электро-азотных двигателях, а также работающие на сжатом воздухе. Конкуренция на рынке энергоносителей крайне высока и вряд ли уменьшится в ближайшее время.

Есть ли будущее у автомобилей на водородном топливе?

В 1937 году крушение дирижабля Гинденбург перечеркнуло будущее водорода для использования в транспортных целях. Но теперь, спустя многие десятилетия, вновь начал просыпаться интерес к водороду, особенно в контексте его использования в автомобилях. В этой статье мы поговорим не о не о недостатках водородных автомобилей, а об их устройстве и темпах создания условий для эксплуатации подобного транспорта.

Источники водорода

Идея перевести наземный и воздушный транспорт на водородное топливо не нова, первые разработки в этом направлении велись еще в XIX веке, но из-за слаборазвитых технологий, отсутствия острой проблемы глобального потепления и недостаточной автомобилизации, человечество только сейчас заинтересовалось возможностью использования водорода в качестве основного топлива для различных средств передвижения.

Все было бы хорошо, если по аналогии с нефтью и газом, водород встречался бы в природе в чистом виде. Парадокс в том, что хотя водород и является самым распространенным химическим элементом во всей Вселенной, в природе не существует открытых месторождений, из которых можно было бы беспрепятственно добывать водород. В то время как углеродное топливо относительно легко добыть и оно нуждается в минимальной обработке, с водородом все гораздо сложнее: в мире есть только два более-менее эффективных способа производства H₂: “оторвать” водород от молекул кислорода либо отделить его от молекул углерода.

Существующие модели автомобилей и принцип их работы

Машины, работающие на водороде, называют Fuel Cell Electric Vehicles или FCEV, на автомобильном рынке уже представлено несколько подобных решений. О конкретных моделях речь пойдет немного позже, сперва следует остановиться на устройстве автомобильной водородной установки. Она имеет так называемый топливный элемент (электрохимический генератор), являющийся своеобразной “батарейкой”, в которую поступает водород, после чего он окисляется и в результате на выходе мы имеем чистый водяной пар с нулевым содержанием углекислого газа. В остальном здесь все практически так же, как в обычном электромобиле, но в случае с водородной установкой используется куда более компактная батарея – емкость литий-ионного аккумулятора в водородных автомобилях в 10 раз меньше, поскольку он используется только для холодного старта и буферизации энергии, полученной при рекуперативном торможении.

Батарея необходима и потому, что главный источник энергии – блок топливных элементов – переходит в рабочее состояние не сразу, а спустя какое-то время после старта. Первым прототипам требовалось до полутора часов, чтобы начать превращать водород и кислород в водяной пар и электроэнергию. Современные же автомобили на водородной тяге выходят в рабочий режим менее чем за 2 минуты, однако прогрев до температуры, при которой КПД установки доходит до 70-90%, занимает от 15 минут до часа в зависимости от температуры окружающей среды. Водород общей массой 5 кг хранится в специальных баллонах, на заправку которых уходит в среднем 3 минуты. Дальность хода на таком объеме топлива достигает 500 км.

Желающие приобрести FCEV сегодня могут выбрать Toyota Mirai, (58 000 долларов) либо Honda FCX Clarity (от 33 400 долларов). Впрочем, это только самые распространенные модели, помимо них выпускаются ограниченные серии Mazda RX-8 Hydrogen, Audi A7 h-tron, Hyundai Tucson FCEV, BMW Hydrogen 7, Ford E-450 и даже автобусы Man Lion City Bus. В России эти автомобили встречаются крайне редко, в свободной продаже их можно найти в США, западной Европе и некоторых азиатских странах.

Экологически грязное производство

Большая часть производимого водорода добывается с помощью паровой конверсии метана – это самый быстрый и дешевый способ, в ходе которого молекулы метана многократно подвергаются воздействию высоких температур и катализаторов, в результате чего они распадаются на угарный газ и водород. Поскольку для такого производства необходимо использовать ископаемые виды топлива, мы все так же загрязняем атмосферу выбросами CO₂, как и в случае с дилеммой производства энергии для электромобилей на старых дымящих ТЭС.

Для производства водорода также используется метод электролиза, знакомого многим еще со школьной скамьи: в этом случае нет ни нефти, ни газа – на кислород и водород распадается обычная вода путем воздействия на нее довольно большого количества электроэнергии. Казалось бы, с электролизом все должно быть хорошо, но, как уже говорилось выше, основная часть производимого сегодня электричества, генерируется “грязными” теплоэлектростанциями, массово сжигающими уголь, природный газ и мазут.

Немного цифр

По оценкам Hydrogen council (совет по водородным технологиям), к 2050 году мировой рынок водорода будет составлять порядка $2.5 трлн или 18% от общего спроса на электроэнергию, что позволит сократить объемы вредных выбросов в атмосферу на 6 гигатонн в год. При этом в транспортном секторе количество легковых автомобилей на водородном топливе составит 400 млн, 15-20 млн грузовых и 5 млн автобусов. Чтобы достичь этих показателей необходимо до 2030 ежегодно инвестировать $20-25 млрд в развитие водородной отрасли. Для сравнения, даже в период кризиса инвестиции в нефтегазовую отрасль составляли около 60 миллиардов долларов. В данный момент 20 стран, включая США, Японию, Германию, Южную Корею и Китай, активно занимаются развитием рынка энергетического водорода, выстраивая партнерские связи между государственным и частным секторами.

Китай планирует к 2030 году установить 1000 водородных заправочных станций, обслуживающих более 1 млн FCEV. Кроме того, к 2025 ныне быстрорастущий город Ухань (население – около 11 млн человек) должен стать основным водородным хабом страны, до 2020 там построят 20 ВЗС, которыми будут пользоваться три тысячи “водородомобилей”. К 2025 году производством водорода в той или иной степени займутся все топливные предприятия города, некоторые из них переоборудуют для работы с одним только водородом, а количество водородных заправочных станций к этому моменту может составить до 100 штук. Для осуществления задуманного, китайцам потребуется выделить $1.7 млрд инвестиций.

В Южной Корее по состоянию на 2018 год действовало всего 12 ВЗС, но за счет небольшой площади государства, любой водитель может пересечь его на одном баке водородного топлива. Впрочем, корейское Министерство Промышленности уже объявило о выделении $2.3 млрд инвестиций, которые пойдут на постройку 310 ВЗС по всей стране к 2022. Правительство Южной Кореи также намерено оказывать финансовую помощь предприятиям, разрабатывающим оборудование для водородных автомобилей, а благодаря налоговым льготам для водителей, на дорогах появятся 16 000 FCEV.

Как и говорилось в начале статьи, наибольшую заинтересованность к водороду проявляет Япония. По данным Hydrogen Analysis Resource Center, в середине 2018 на территории Страны восходящего солнца располагалось 94 ВЗС (это самый высокий показатель во всем мире, на втором месте Германия – 44 ВЗС). Министерство энергетики, торговли и промышленности Японии (METI) разработало долгосрочную стратегию, нацеленную на ускоренное внедрение легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных топливных элементах, и расширение сети установок для производства энергии из водорода. Глобальная задача METI состоит не только в снижении количества вредных выбросов транспорта и промышленности в больших городах, но и в уменьшении зависимости от импортируемых ископаемых видов топлива. Если говорить более конкретно, то Япония планирует увеличить потребление водорода с предполагаемых 4000 тонн в 2020 году до 300 000 тонн в 2030 и 10-15 млн тонн в 2050. Что касается количества FCEV, к 2020 году в Японии их число достигнет 40 000, 180 000 – в 2025 и около 800 000 штук к 2030. Весь этот автопарк будут обслуживать 160 ВЗС уже в 2020 и 320 ВЗС в 2025. Помимо всего прочего, к 2030 году японцы введут в эксплуатация 1200 автобусов на водороде. Однако Япония при всем своем желании не сможет обеспечить себя водородом в таких объемах, поэтому METI не исключает возможность перехода страны на водород с помощью импортных поставок из Брунея, Африки и Австралии. Для этого крупные японские компании (например, Kawasaki Heavy Industries и Chiyoda Corporation) оказывают финансовую поддержку проектам по производству водорода в Австралии и Брунее.

Западная Европа хоть и отстает от Азии по темпам освоения технологий водородной энергетики, не намерена быть среди догоняющих: так, если 5 лет назад количество автобусов на водороде равнялось тридцати, то сейчас их уже 91 – да, в мировых масштабах число незначительное, но учитывая сложность создания абсолютно новой инфраструктуры ВЗС, прогресс налицо. В отличие от Азии, имеющей какой-никакой опыт работы с водородом, европейские государства делают первые шаги по внедрению водородной энергетики. Доказательством могут служить программы вроде HyFive или H2ME, в рамках которых строятся новые заправочные станции и вводится в эксплуатацию все больше легковых автомобилей на водороде. Самыми активными странами в этом вопросе являются Германия, где сосредоточены ведущие мировые автопроизводители и Дания, чье правительство готовится производить водород путем электролиза морской воды с помощью чистой энергии, полученной от ВИЭ. Благодаря развитию HyFive и H2ME у жителей Европы в обозримом будущем появится возможность путешествовать между странами без дозаправки. США лишний раз не стоит упоминать, поскольку острый интерес к водороду там проявляет лишь Калифорния.

В итоге

Несмотря на сложности создания сети ВЗС и затратное производство, “скачущие” цены на нефть и газ рано или поздно вынудят человечество отказаться от ископаемых источников энергии в пользу водородного топлива. Конечно, этот процесс займет не одно десятилетие, но рано или поздно безотходная добыча чистого водорода будет налажена, запасы нефти и газа иссякнут, а климат не сможет и дальше терпеть миллионы чадящих автомобилей.

Водород как топливо для автомобилей

Довольно давно говорится, что водород может решить проблему загазованности городов и его часто приводят как альтернатива электромобилям. В этой статье я постарался собрать различные исследования по этому поводу, касающиеся водородного топлива.

Схема "водородомобиля"

Преимущества водородных машин перед автомобилями с ДВС

1. Они не дымят и у них нет вредных газов в выхлопе. Так как при соединении кислорода с водородом получается вода, то и выхлоп можно считать абсолютно чистым.

2. В водородных автомобилях используются водородные топливные элементы (ТЭ), которые производят электричество для электромоторов. КПД у топливных элементов в 2,4 раза выше чем у ДВС. Теоретически, можно использовать и водородоный ДВС, где водород будет сжигаться как бензин (с определёнными усовершенствиями, конечно). Но в этом случае, КПД такой системы будет близок к обычному ДВС + выхлоп будет иметь много токсичных окислов азота, что само по себе разрушает всю идею чистого выхлопа.

3. Они тише. Электромоторы и ТЭ не шумят. Шум обычно происходит от шин и начинается на скоростях более 30 км/ч.

4. Водород более энергоёмок. Поэтому водородный бак меньше по размерам и занимает меньше места.

Водородный балон в "водородомобиле"

Преимущества водородных машин перед электромобилями

1. Самое большое преимущество, это то что весь процесс зарядки идёт как и у автомобилей с ДВС — мы заправляем машину и едем. Не надо ждать 30-45 минут на зарядной станции.

2. Вам не надо таскать с собой 500-700 кг батарею постоянно. Водородные автомобили легче электромобилей, причём используют электромоторы. О преимуществах электромоторов перед ДВС я рассказывал вот здесь.

3. Из-за потерь тепла в ТЭ при производстве электричества, выделяется много побочного тепла. В общем случае это плохо (процесс неэффективен), но это тепло можно использовать для обогрева салона. Поэтому потери дальности хода зимой у водородных автомобилей значительно ниже, чем у «электричек».

4. Батарея электромобилей деградирует со временем. Если следовать правилам и если батарея оборудована системой охлаждения, батарея проживёт 12-15 лет в северных странах (в южных значительно меньше). После этого батарею нужно перерабатывать с помощью технологий, которые ещё полностью не отработаны. У водородных машин нет этих ограничений.

К сожалению, у водородных автомобилей очень много серьёзных недостатков:

1. Водородные автомобили нельзя считать чистыми в настоящее время — процесс производства водорода даже грязней, чем сгорание бензина или дизтоплива. Водород в настоящее время производится из метана, с использованием электричества и выделения большого количества углекислого и угарного газов. При производстве 1 кг водорода, производится 7,05 кг CO2, в то время как при сгорании эквивалентного кол-ва ископаемого топлива производится меньше углекислого газа: 5,96 кг для бензина, 6,08 для дизеля и 4,76 для газа (данные отсюда).

Сравнение производства H2 и сравнение с ДВС

Спасает немного ситуацию, что комбинация ТЭ + электромотор имеет вдвое более высокий КПД, и поэтому использование водорода в автомобилях в целом производит меньше CO2, нежели ДВС:

Сколько CO2 производится на 1 кВч произведённого электричества в автомобиле

То есть, при использовании водорода, вы производите 375 г углекислого газа на 1 кВт·ч, тогда как для дизеля это 583 г. Процесс электролиза получается значительно «дороже», см. таблицу. Выходом может считаться «чистый» электролиз, например в местах, где есть избыточная чистая энергия (например ночное электричество на гидроэлектростанциях).

2. Отсутствует инфраструктура. Мало где есть водородные заправки и их предстоит построить. Немцы подсчитали, что надо вложить 40 млрд евро для постройки инфраструктуры для 20 млн «водородомобилей». У нас в Норвегии есть 3 «водородоколонки».

В защиту водорода здесь можно сказать, что строительство инфраструктуры для электромобилей выйдет ещё дороже.

3. Хранение водорода. Один из ключевых материалов, используемых для хранения и катализа водорода, это палладий (драгоценный металл). Он чрезвычайно дорогой, поэтому его успользование сильно удорожает системы храниения водорода. Сейчас многие страны работают над решением «проблемы палладия».

4. КПД водородной цепи (от производства водорода до колёс автомобиля) очень низкий. Он гораздо ниже чем у «электричек». Вот подсчёты сделанные Transport&Environment:

Первый столбик — электромобили, второй — водород

На предыдущей картинке сравнивается полный КПД для электричества, водорода и синтетического топлива, производимого на «бензоколонке». КПД у водородной цепи очень низок, и близок к ДВС. Как видите, «электрички» выигрывают у водорода 77 против 30%.

В другом исследовании электрические машины также сравниваются с водородными и получается, что КПД у водорода даже ниже:

Слева — водород, справа — электричество.

По этим расчётам, КПД у полного цикла доставки электричества — 69%, и только лишь 23% — у водорода.

5. Взрывоопасность. Водород очень взрывоопасный газ. И чтобы не быть голословным, недавно недалеко от Осло взорвалась одна из немногих водородных заправочных станций. Причиной стала утечка из неправильно установленного клапана.

Взорвавшаяся станция заправки водорода в Норвегии

Водород — топливо будущего?

Как я вижу, водород может иметь интерес в некоторых типах транспорта, как например в автобусах, особенно междугородних или грузовых перевозках. В настоящее время уже создано несколько прототипов водородных грузовых автомобилей.

Но я думаю, из-за сложностей с инфраструктурой и из-за «грязного» производства в настоящее время, его трудно рассматривать как серьёзную альтернативу машинам с ДВС и, в будущем, электромобилям. У нас в Норвегии хотя я и видел эти машины на дорогах, общее их кол-во ничтожно мало по сравнению с «электричками». И я не вижу, что правительство делает какие-то конкретные и действенные шаги для его продвижения.

Автобус на водороде

Мой опыт поездки на электромобиле Ниссан Лиф по Норвегии:

Другие записи про электрокары:

Хватит ли электромобилям электричества? (что будет, если электрифицировать весь парк автомобилей)