Водородные автомобили: есть ли у них будущее

Производство автомобилей на водородных топливных элементах в мире (статистика и прогноз)

*Прогноз Hydrogen Council

Принцип работы водородомобилей

По факту водородомобиль приводится в движении электромотором. Просто батарея, в отличие от полностью электрического автомобиля, получает ток не из розетки, а в ходе химической реакции с водородом. 

Реакция происходит внутри ячеек топливных элементов. То есть топливный элемент — это нечто вроде реактора. Сама ячейка состоит из пары пористых электродов — анода (-) и катода (+), разделенных полимерной мембраной с тонким слоем катализатора.

Со стороны анода из бака (баллона) подается водород, а со стороны катода — кислород. Происходит химическая реакция. Протоны проходят сквозь мембрану, а электроны задерживаются и создают напряжение. Полученное электричество передается на электромотор и приводит в действие колеса. «Выхлопом» химической реакции становится чистый водяной пар, что вполне вписывается в европейскую концепцию «нулевого выхлопа».

Суть работы водородомобиля — в получении электричества в ходе анодной реакции и его последующей передаче на электромотор или на батарею, а потом на электромотор. К аноду подается молекулярный водород H2, к катоду — кислород O2. Соединяясь в присутствии катализаторов, молекулы водорода и кислорода образуют воду и выделяют свободные электроны

Вместе с нулевым выхлопом концепция развития электроводородных автомобилей предусматривает отказ и от технического обслуживания в привычном его понимании. Менять масло в двигателе внутреннего сгорания или трансмиссии, равно как и свечи, больше не придется. Теоретически это положительно сказывается как на комфорте и стоимости эксплуатации, так и на экологии.

Но есть и альтернативный вариант — использовать водород в качестве топлива для ДВС. И тогда привычные ТО с определенной периодичностью сохранятся. В начале XXI века по этому пути пошли инженеры BMW и мелкосерийно сделали двухтопливные модификации BMW 7-й серии для корпоративных клиентов, которые можно было заправлять как бензином, так и водородом.

Впрочем, уже в 2020-м баварцы представили предсерийный концепт водородного кроссовера на базе X5. И он уже сделан по традиционным рецептам строения водородомобилей — то есть без применения ДВС.

Где берут водород

Чтобы в водородомобиле случилась химическая реакция, его нужно заправить водородом, а прежде этот водород получить. В готовом виде водорода в природе почти нет. Получается он при помощи химических реакций. С экономической точки зрения дешевле всего добывать водород из газа (пропан, метан). Для этого с применением катализатора при большой температуре (700–1000 ºС) и давлении газ нужно смешать с водяным паром. Но при сжигании газа все равно выделяется вредный углекислый газ, из-за которого и борются с традиционными ДВС.

Полностью экологичных способов производства водорода пока не так много. Бóльшая часть производств связана с сжиганием углеводородов, что не назовешь верхом экологичности

Можно получить водород из угля, и больше всего для этого подходит бурый уголь. Он легче всего воспламеняется и поэтому практически не транспортабелен, но зато недорог. Таким образом, там, где есть бурый уголь, можно получать относительно недорогой водород.

Можно использовать водород, который производится как побочный продукт в промышленности. По подсчетам автопроизводителей, в мире его ежегодно выделяется столько, что хватит на питание 250–750 тысяч (в зависимости от расхода и других факторов) водородомобилей. Если решить проблему масштабного производства водорода за относительно разумные деньги, то это может стать дополнительным драйвером роста для развития водородной инфраструктуры. Но неуглеводородные способы добычи водорода пока только муссируются на уровне идей.

Где и как заправляться водородом

В то же время уже сейчас видна определенная динамика: если сравнивать количество водородных заправок в начале века с их количеством в 2020 году, то ситуация с переходом на водород не кажется безнадежной.

Полтора десятилетия назад ограниченность инфраструктуры сдерживала рост электромобилей, но к 2020-му с ее развитием и снижением себестоимости батарей увеличилась и доля электромобилей в глобальном парке машин.

Но в случае с водородом ситуация развивается не так.

Только в 2020 году в США стали появляться водородные заправки, на которых можно заправиться самостоятельно. Ранее этот процесс сопровождался сложностями из-за взрывоопасности водорода. Где-то заправку производила автоматика, а где-то — обученные заправщики

Во-первых, зарядные станции проще и дешевле. По сути, это корпус с трансформатором внутри, подключенный к электросети. Учитывая, что в городах электричество проведено повсеместно, это делает возможным установку зарядных станций на улицах, парковках и рядом с торговыми центрами.

Водород же взрывоопасен, и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что удорожает и усложняет создание водородных заправок.

Во-вторых, взрывоопасность водорода требует не только осторожности при хранении, но и при заправке. На экспериментальных водородных заправках начала двухтысячных в Германии процесс установки пистолета в горловину бака был автоматизирован, а на японских заправках с водородом за это отвечал специалист. Впрочем, в США к 2020 году появилось несколько водородных заправок (не больше десяти), не требующих специальной подготовки. Одна неофициальная водородная заправка есть и в России.

Водородные заправки

Синим цветом помечены водородные заправки Германии по состоянию на 2015 год. Тогда их было девять. В 2019-м количество выросло до 50, а в 2020-м планировалось довести его до 100. Возможно, сложности 2020 года внесут в планы коррективы. Но если все пойдет хорошо, то к 2023-му водородных заправок будет примерно 400

В создание сети водородных заправок в Германии инвестирует группа частного бизнеса. В 2015 году компании Air Liquide, Linde, OMV, Shell и Total создали в Берлине совместное предприятие H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG и заложили на реализацию расходы в 400 млн евро. Кроме топливных компаний к проекту также присоединились Daimler, BMW, Volkswagen, Honda, Toyota. Помимо H2 MOBILITY Deutschland GmbH развитием водородных заправок в Германии занимается Clean Energy Partnership (CEP).

По состоянию на 2017 год в Японии было примерно 90 автомобильных водородных заправочных станций. К 2020 году планировалось нарастить их количество до 160

Эксплуатационные отличия водородомобилей от ДВС и электрокаров

Конечного потребителя экология волнует в меньшей степени, ему важнее потребительские качества автомобиля. Пока самый универсальный автомобиль для жизни — машина с ДВС. Она обеспечивает максимальный запас хода, способна работать в разных температурных условиях и заправляется за пару минут.

Электромобиль же по-прежнему ограничен дальностью проезжаемых расстояний, количеством зарядных станций, а также длительностью процесса зарядки и эксплуатацией в холодном климате.

У водородомобилей тоже есть сложности с холодным пуском. Недавние испытания предсерийного Hyundai Nexo задекларировали беспроблемный пуск при -6 ºС. Впрочем, еще в 2006 году разработчики Chevrolet Equinox заявляли, что их продукт способен работать даже при температуре в -25 ºС, но не подтверждали это экспериментально. Зато, в отличие от электрокара, заполнить баки водородом можно за три-пять минут. Но вот привод на колеса всегда будет неполным, конечно, если не поставить на обе оси по отдельному электродвигателю.

Водородные концепты и мелкосерийные проекты прошлого

Эксперименты с водородной темой начались задолго до наступления XXI века. Первопроходца в этой гонке не выделить. Все производители мира еще в конце прошлого века были убеждены, что разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах нужно, но какая из альтернатив в итоге превратится в крупносерийную, никто в автомобильной индустрии не знал ни тогда, ни сейчас.

Удивительно, но от водородной темы не уклонился даже АвтоВАЗ. Направление называлось АНТЭЛ — автомобиль на топливных элементах. Еще в 2001 году тольяттинцы, используя технологии военно-промышленного комплекса, сделали водородную «Ниву», а потом и универсал десятого семейства. Правда, в отличие от зарубежных проектов весь салон вазовских концептов был занят инженерными элементами.

К середине 2000-х водородомобилестроение расширилось. Американцы сделали футуристичный концепт Chevrolet Sequel, а после мелкосерийно оборудовали Chevrolet Equinox водородными элементами.

В 2011 году немцы выпустили 13 экспериментальных Mercedes B-класса F-cell, которые отправились в автопробег, в том числе и по России. В 2014-м VW Group представил три модели на водороде: Audi A7 h-tron, Volkswagen Golf и Passat американского типа. Впрочем, это были не первые водородные проекты концерна Volkswagen AG.

И это далеко не все пробы автопроизводителей по созданию водородомобиля.

Дмитрий Онищенко

Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Баумана

 

— При попытке заменить ДВС надо понимать конечную цель. Если мы говорим о снижении вредных выбросов в атмосферу вплоть до нуля, то водородо- или электромобили имеют право на жизнь. Даже сейчас переход на экологические стандарты Евро-7 — вызов для машин с ДВС, причем не только для инженеров, но и для конечных потребителей. Потому что переход на Евро-7 напрямую связан с потерей эксплуатационных характеристик моторов внутреннего сгорания: динамических, ресурсных, к тому же с ростом стоимости. 

В автомобиле необходимо три типа энергии: механическая (вращает колеса), электрическая (для питания бортовой электроники), тепловая (для нагревания салона). ДВС уже доказал свою состоятельность во всех трех плоскостях. У транспорта на электричестве большие проблемы с тепловой энергией. Показателен пример с электробусами в Москве, которые зимой обогреваются за счет дизельного отопителя. А между тем в отопителе дизель сгорает при атмосферном давлении и выделяет больше вредных веществ, чем современный мотор с предварительно подготовленными воздухом и топливной смесью. 

Шагом вперед может стать переход на двигатели с управляемым балансом для увеличения КПД. И в этом может помочь так называемый водородный дизель. Но пока основные проблемы водородомобилей — в отсуствии экологически чистого водорода (без сжигания углеводородов), необходимости его охлаждения до жидкого состояния с последующим поддержанием его в таком состоянии. Все это пока делает водородомобили дорогими и штучными.

Кстати, в индустрии существует такое понятие, как «эквивалентная токсичность». Например, в профессиональной среде есть мнение (подчеркиваю, что это не факт), что продукты износа автомобильных шин оказывают природе больший вред, чем машины даже со стандартами Евро-4.

Серийные и мелкосерийные водородные проекты

Toyota Mirai

Toyota Mirai, внешне похожий на гибридный Приус, пожалуй, самый распространенный водородомобиль. Основной рынок сбыта — США. Но популярность модели среди водородомобилей объясняется дотациями со стороны государства. Покупатель Mirai получает от производителя 15 000 долларов на заправку водородом. Депозит действует в течение трех лет. Цена самой машины в Северной Америке стартует с 58 000 долларов.

Но при слабом покрытии водородными заправками и более дорогой стоимости водорода относительно бензина по истечении трех лет Mirai превращаются в неликвид на вторичном рынке. Продаются также в Европе, Японии и Канаде.

Кроме США и Японии Mirai продают еще и в Европе

При этом подержанный водородный автомобиль — не приговор. В отличие от электрокара, где с возрастом вырабатывается ресурс батареи, топливные элементы водородомобиля изнашиваются медленнее. Заявленный ресурс одной ячейки — 250 000 км. А если ячейка сломается, ее можно заменить локально. Конечно, если найти и купить…

Mirai иллюстрирует классическую компоновку водородомобилей. В топливном элементе происходит химическая реакция и вырабатывается электричество, которое передается на батарею, а оттуда поступает на электромотор, который вращает колеса. Батарея нужна, чтобы обеспечить ровную работу топливному элементу независимо от режима движения

Родство с Приусом у Мирая не только внешнее, но и платформенное. Однако если Prius последнего поколения — на модульной платформе TNGA, то Mirai сделан еще на основе Prius V прошлой генерации.

Honda Clarity

Силуэт водородомобиля от Honda также схож с Приусом. Разве что при взгляде на Clarity сбоку выделяются гигантские свесы. Во многом форма кузова объясняется желанием инженеров снизить коэффициент аэродинамического сопротивления.

При покупке в лизинг ежемесячный платеж за Хонду меньше, чем за Тойоту — 379 долларов, но депозит на заправку такой же — 15 000 долларов и действует те же три года. Но во время запуска модели на домашнем рынке в 2016 году ее могли купить только корпоративные клиенты и госструктуры.

Энерговооруженность Clarity составляет 174 л.с. и 300 Нм крутящего момента. Водород хранится в 141-литровом баке под давлением 690 атмосфер. По японскому тестовому циклу JC08 одной заправки хватит на 750 км пути. По оценкам американских сертификационных ведомств, этот показатель составит 482 км.

Опционально Honda Clarity можно превратить в генератор. По заявлениям производителя, водородомобиль может справиться с питанием целого дома в течение недели. Правда, насколько это работоспособная опция, на практике неизвестно. В 2017 году к водородному Clarity добавили гибридную и электрическую модификацию.

Hyundai Nexo

Водородный кроссовер Hyundai Nexo представили не на международном автосалоне, а на выставке потребительской электроники CES-2018 в Лас-Вегасе. И это не первый кроссовер корейцев на водородных топливных элементах. С 2013 года Hyundai мелкосерийно выпускали водородный Tucson FCEV, который предлагался в корпоративный лизинг.

В отличие от Тусана преемник сразу проектировался исключительно как водородный автомобиль. Компоновка Nexo традиционная: три водородных бака пристроили под полом в задней части кузова, электромотор разместили под капотом, а батарею — в багажнике.

Отдача электромотора — 120 кВт (163 л.с.), крутящий момент 394 Нм. С места до 60 миль (96 км/ч) Hyundai Nexo разгоняется за 9,5 секунды, запас хода — 595 км. Испытательная программа подтвердила легкий пуск Hyundai при температуре до -6 ºС.

По заявлению Hyundai, гарантированный ресурс водородной силовой установки у Nexo составляет десять лет или 160 000 километров. При этом в реальной эксплуатации ресурс будет еще выше — 240 000 километров, что сопоставимо с заявлениями Тойоты.

Mercedes-Benz GLC F-Cell

Первая водородная машина, которую при необходимости можно подзарядить от розетки. В условиях 2020 года, когда покрытие водородными заправками по-прежнему ничтожно небольшое, это очень важно.

Пользователь сможет выбирать между четырьмя режимами движения: Hybrid (оптимальное распределение между топливным элементом и аккумулятором), F-Cell (аккумулятор сохраняет заряд, работает водородная часть), Battery (используется только батарея) и Charge (ускоренный заряд аккумулятора на ходу).

В первых релизах немцы декларировали мощность в 197 л.с., но обновили цифру, повысив отдачу до 211 сил. И та, и другая величины вполне сравнимы со стандартными двигателями внутреннего сгорания GLC. Мощность силовой установки в электрорежиме не указывается, зато известно, что в этом случае GLC F-cell сможет проехать примерно 50 км. 4,4 кг водорода хватает на 430 км пробега. Привод — исключительно на заднюю ось.

Автомобиль не поступит в свободную продажу, а будет сдаваться в аренду компаниям и государственным службам.

BMW X5 i Hydrogen Next

Концепт, который немцы пообещали реализовать мелкосерийно к 2022 году, а еще через три года рассмотреть массовое производство. Как и в случае с Mercedes-Benz GLC F-cell, в основе проекта лежит обычная серийная платформа, а питание электромотора — от топливных элементов и батареи.

Электрическим силовым агрегатом и батареей с водородным X5 поделился другой, но уже электрический концепт BMW — iX3. Электрический привод определил и тип привода на колеса — задний. Мощность водородных ячеек — 125 кВт (170 л.с.).

Водородная система BMW разработана совместно с Toyota Motor. Два автопроизводителя сотрудничают по водородным проектам с 2013 года.

Альянсы по созданию водородомобилей 

Из-за гигантских инвестиций в водородные проекты автопроизводители объединяют свои усилия по разработке топливных элементов и концепций водородных автомобилей. С 2013 года работы в этом направлении ведут BMW и Toyota. Тогда же договор о сотрудничестве заключили GM и Honda. В 2018-м Audi и концерн Hyundai Motor Group объявили о совместной работе над технологиями водородных топливных элементов. Партнерство предусматривает обмен лицензиями, а главное — снижение стоимости разработки и производства за счет эффекта масштаба. У всех производителей из этого списка есть свои водородные проекты. Даже у Audi с их концептом H-tron и A7 H-tron. Кстати, Audi — один из немногих брендов, кто решился сделать полноприводные машины на водороде.

Основные серийные и мелкосерийные производства автомобилей на водородном топливе (без учета концептов)

Модель	Годы производства	Количество, шт.
BMW 7-я серия	2006–2008	100
Toyota Mirai	2015 — н. в.	≈ 5000
Hyundai Tucson FCEV	2013–2018	10 000
Hyundai Nexo	2018 — н .в.	до 1000
Mercedes-Benz GLC F-cell	2017 — н. в.	до 1000

В итоге

Работы по созданию автомобилей на альтернативном топливе в индустрии ведутся давно — еще с конца прошлого века. До сих пор у инженеров нет четкого понимания, каким в итоге получится автомобиль будущего и на каком источнике энергии он будет ездить. Японцы из Тойоты в большей степени делают ставку на водород, немцы из BMW считают, что к 2050 году никакая из технологий будущего не станет основной, а будет делить долю рынка между собой. Это ставит в тупик не только автопроизводителей, но и нефтегазозаправочные компании, заставляя и тех и других вкладывать деньги не во что-то одно, а во все сразу.

В то же время кроме усилий для успеха новой технологии не обойтись без заинтересованности конечных клиентов. А привлечь их внимание экологическими перспективами без экономической выгоды и комфортной эксплуатации вряд ли получится…