FCEV – получат ли распространение электромобили на топливных элементах? Идеал пути к «нулевой эмиссии» и потенциал энергии водорода

Полномасштабное развертывание автопроизводителем водородного бизнеса

Второго февраля компания Honda провела пресс-конференцию «Об инициативах в водородном бизнесе», на которой сообщила о плане выпустить в продажу в 2024 году в Японии и Северной Америке свою новую разработку – электромобиль на топливных элементах FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle, также именуются FCV). Совместную разработку системы на топливных элементах нового поколения Honda ведет с американской фирмой General Motors c 2013 года, и теперь созданной в результате этой работы системой топливных элементов будут оснащаться автомобили FCEV, поступающие в продажу уже в будущем году.

Исследованиями и разработками водородных технологий и электромобилей на топливных элементах компания Honda занимается на протяжении более 30 лет, и хотя со времени создания первого прототипа в 1998 году она выпустила уже 5 автомобилей FCEV, все они предназначались для исследований либо передачи в лизинг, а в широкую продажу не поступали.

Тем не менее вполне вероятно, что поступающий в продажу в 2024 году автомобиль FCEV пойдет в массовую реализацию. В таком случае данная машина, вероятно, станет четвертым по счету автомобилем FCEV, который «может приобрести каждый желающий в Японии» – вслед за моделью первого поколения MIRAI компании Toyota (поступившей в продажу в 2014 году по цене 7 236 000 йен), MIRAI второго поколения (2020 год, 7 106 000 йен) и южнокорейской Hyundai Nesso (2022 год, 7 768 300 йен). (Цены приведены на год начала продаж с учетом налогов. В 2019 году в продажу поступали автомобили GLC F-CELL компании Mercedes-Benz, но они предлагались только на условиях лизинга с условием возврата производителю через 4 года).

Современная модель Toyota – автомобиль MIRAI второго поколения. Заявленный производителем запас хода составляет 850 километров (Снимок предоставлен компанией Toyota)

Топливные элементы являются одной из разновидностей электрооборудования, в которых для получения электроэнергии используется химическая реакция соединения водорода с кислородом с образованием воды и выделением энергии. Из уроков физики в средней школе многие, вероятно, помнят, что с использованием электрической энергии воду можно разложить на кислород и водород. Идея топливных элементов состоит в получении электроэнергии за счет обратной реакции.

В автомобилях FCEV выступающий топливом водород хранится в резервуаре высокого давления, а электроэнергия вырабатывается посредством реакции с атмосферным кислородом. Движущая сила возникает при подаче вырабатываемой электроэнергии на электромоторы. Поскольку в результате химической реакции соединения образуется только вода и электроэнергия, а выбросов углекислого газа при этом не происходит, такие автомобили привлекают к себе большое внимание как одно из экологичных транспортных средств нового поколения, полезных для реализации общества с нулевыми эмиссиями.

Система на топливных элементах модели MIRAI. Мощность электромоторов автомобиля с задним приводом составляет 134кВт (182PS) (снимок предоставлен компанией Toyota)

BEV и FCEV: отличия и возможность сосуществования

Между тем в мире в настоящее время в самом разгаре стремительный рост количества продаваемых электромобилей BEV (Battery Electric Vehicle, автомобиль на аккумуляторных источниках питания, также именуются EV), приводимых в движение электроэнергией, которой заряжены аккумуляторные батареи такой машины. И хотя в общем числе проданных автомобилей доля BEV в 2022 году составила скромные 1.7% (а в предшествовавшем году 0.6%, далее в скобках приведены данные за 2021 года), в Европе она составила 12.1% (9.1%), в Северной Америке 5.9% (3.2%), в Китае 20% (11%), присутствие таких машин на рынке становится все более весомым.

Ожидается, что автомобили BEV также поспособствуют достижению углеродно-нейтрального общества, поскольку и они не выделяют при движении углекислого газа, являясь транспортным средством с нулевой эмиссией. Однако вместе с тем отмечается, что сильным сковывающим фактором для распространения BEV служит недостаточное количество зарядных устройств, то есть, инфраструктуры, необходимой для их эксплуатации. Стоит ли вообще заниматься распространением FCEV в дополнение к BEV?

Самым большим преимуществом автомобилей FCEV является то, что на пополнение запаса энергии требуется 3-5 минут – столько же времени, сколько уходит на заправку обычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Это подавляюще быстро в сравнении со временем, требуемым для зарядки электроэнергией автомобилей BEV. При этом из-за того, что энергетическая плотность водорода значительно превышает возможности литий-ионных батарей, которые используются в BEV, для таких автомобилей гораздо проще решать задачу увеличения запаса хода.

Более того, в сравнении с автомобилями BEV, в которых используются в большом объеме такие ископаемые ресурсы как литий и кобальт, для автомобилей FCEV требуется примерно одна пятидесятая часть каждого из этих элементов, что ставит FCEV в превосходящее положение с точки зрения устойчивости производства.

С другой стороны, в качестве недостатка автомобилей FCEV следует отметить то, что их энергетическая эффективность ниже в сравнении с BEV.

В статье профессора Макса Умана из шведского Лундского университета, опубикованной в 2001 году, говорится, что если энергоэффективность BEV составляет 61%, то у FCEV она ограничивается 34%, а у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания составляет всего 14%. При этом, поскольку резервуары для сжатого водорода у FCEV стараются делать побольше, слабым местом оказывается и то, что технология плохо подходит для компакт-каров.

С учетом всех эти преимуществ и слабых сторон сложилось общераспространенное понимание, согласно которому технология FCEV выглядит сравнительно более подходящей для крупногабаритных машин, которым часто приходится ездить на большие расстояния, между тем как BEV лучше подходит для малогабаритных автомобилей, используемых по большей части для передвижения в городских условиях. Иначе говоря, FCEV и BEV составляют скорее взаимно дополняющую пару, нежели непримиримо соперничающую.

У сосуществования BEV и FCEV есть преимущества и с точки зрения инфраструктуры.

Автомобиль iX5 Hydrogen, производство которого компания BMW начала в небольших масштабах в декабре 2022 года (снимок предоставлен компанией BMW)

Недавно компания BMW на состоявшемся в Бельгии международном тест-драйве новой модели FCEV iХ5 Hydrogen отметила, что если полагаться в качестве автомобилей с нулевой эмиссией только на BEV, это может оказаться сопряжено с необходимостью очень больших инвестиций в создание инфраструктуры.

Компания пришла к такому выводу из ситуации в Германии, исходя при этом из того, что количество автомобилей BEV превысит 20 млн, а распространение FCEV достигнет при этом нескольких миллионов. Уже при такой поляризации возникнет необходимость повышать мощность линий электропередач, что потребует огромных вложений в инфраструктуру. Надо полагать, что ситуация в Японии в основе своей аналогична.

При этом в компании BMW также отметили, что если строительство энергопередающей сети для снабжения станций зарядки автомобилей BEV в городах является сравнительно несложной задачей, то на участках между городами, а также в регионах, где расстояния велики, водородные заправочные станции заправки обладают преимуществом с точки зрения величины затрат на строительство.

Более того, в нынешних условиях слабой стороной, препятствующей распространению автомобилей BEV, выступают трудности сооружения инфраструктуры для зарядки в многоквартирных домах, между тем как время, необходимое для заправки автомобилей FCEV невелико – ими можно пользоваться примерно так же, как автомобилями с двигателем внутреннего сгорания, заправляемыми на бензоколонках. С этой точки зрения в плане простоты эксплуатации FCEV могут стать привлекательными транспортными средствами с нулевой эмиссией даже в глазах пользователей в крупных городах.

При всем при том компания Toyota ведет испытания автомобилей с водородным двигателем, в котором водород используется так же, как топливо в обычном двигателе внутреннего сгорания, и такие машины даже участвуют в Японии в гонках на выживаемость. Автомобили FCEV и машины с водородным двигателем, хотя и используют в качестве энергоносителя тот же водород, принципиально различаются между собой.

Исследованиями в области автомобилей с водородным двигателем в прошлом занимались также компании BMW и Mazda, однако на данный момент открытую разработку таких машин ведет только Toyota. А над автомобилями FCEV, напротив, активно работают и Toyota, и Honda, и General Motors, и Hyndai. При этом четвертое по величине в мире автомобильное объединение, в которое входят 14 торговых марок, в том числе Jeep, Peugeout и другие, приобрело акции французского производителя водородных топливных элементов Symbio, продемонстрировав позитивное отношение к разработке автомобилей FCEV.

Концепт-кар Corolla H2, с 2021 участвующий в гонках на выживание. Концепт развивается с каждым годом, демонстрируя все лучшее круговое время (снимок предоставлен компанией Toyota)

Индустриальные перспективы энергии водорода

До этого момента мы рассматривали водород только в качестве источника энергии для легковых автомобилей. Между тем это лишь один аспект индустриальных перспектив водорода.

В разработанной в 2021 году правительством Японии «Стратегии зеленого роста, соповождающего переход к углеродной нейтральности в 2050 году», водородная отрасль наряду с офшорной ветровой электроэнергетикой входят в дорожную карту развития энергетических отраслей.

Если говорить более конкретно, то водород признается в качестве «ключевой технологии углеродной нейтральности для широкого использования в производстве электроэнергии, промышленности и на транспорте». При этом отмечается, что в данной области «Япония занимает лидирующие позиции, а следом за ней выработали и реализуют свои стратегии страны Европы и Южная Корея», и ставится цель «в дальнейшем отвести водороду роль нового ресурса и, помимо использования в автомобилях, вовлечь в эту отрасль широкий круг участников». Иными словами, энергию водорода предполагается широко использовать на нужды общества, а FCEV выступают при этом не более чем частью общего процесса.

Говоря о причинах, по которым японское правительство с таким большим энтузиазмом занимается именно водородом, в первую очередь отмечают простоту хранения и перевозки в сравнении с электроэнергией. При передаче на большие расстояния электроэнергии возникают потери, и, к примеру, электропередача на расстояния в несколько тысяч километров практически нереальна. Кроме того, для накопления и хранения электроэнергии необходимы аккумуляторные батареи, что также требует больших издержек.

С другой стороны, в сравнении с электроэнергией, водород, как полагают, проще как хранить, так и перевозить. Этот имеет очень важное значение, поскольку перекрывает все недостатки, присущие таким направлениям использования энергии возобновляемых источников как солнечная и ветровая генерация.

Как известно, и ветровая, и солнечная генерация имеют общую особенность, которая состоит в том, что время, когда возможна выработка электроэнергии, отнюдь не обязательно совпадает со временем, когда эта энергия требуется потребителям. При этом места, наиболее подходящие для выработки ветровой или солнечной электроэнергии, далеко не всегда являются теми местами, где на электроэнергию имеется высокий спрос.

С этой точки зрения рассматривается возможность использования электроэнергии, полученной от солнечной или ветровой генерации, для электролиза воды с целью накапливания и транспортировки на большие расстояния полученного в результате водорода.

Концепция использования энергии водорода компании Honda, которая ставит целью реализовать углеродную нейтральность всей своей продукции, а также деятельности своих предприятий, к 2050 году (предоставлено Honda)

Уже имеется несколько программ, предполагающих доставку в Японию водорода, выработанного в Австралии, в том числе и водорода, полученного за счет использования электрической энергии со солнечных электростанций. Иными словами, водород привлекает внимание в качестве «переносчика энергии», более простого в доставке в сравнении с продукцией энергетики возобновляемых источников.

По этой причине компания Honda, недавно объявившая о своих планах заниматься водородным бизнесом, тоже намеревается развернуть широкое использование системы топливных элементов нового поколения, разработанных вместе с General Motors, в самых разных отраслях промышленности. Иными словами, ожидается, что разработанная ими система, позволяющая в по мере необходимости задействовать параллельно сразу несколько элементов, получит применение в больших грузовиках, а также в строительной технике и даже, к примеру, в стационарных источниках электропитания.

Очень важной особенностью системы топливных элементов нового поколения, представленной компанией Honda, является то, что возможность использования в самых различных целях позволяет снизить стоимость до одной трети в сравнении с предыдущим поколением при более чем двукратном повышении надежности.

Аналогичные планы в том, что касается применения в больших грузовиках, реализуют также компании Toyota и BMW.

В конечном счете желательно, чтобы в будущем, наряду с превращением автомобилей BEV в мейнстрим в качестве автотранспорта с нулевой эмиссией, топливные элементы также получили широкое применение в крупногабаритных легковых автомобилях, больших грузовиках, строительной и другой технике. Более того, это представляется наиболее реалистичным путем эффективного построения общества с нулевыми эмиссиями.

Фотография к заголовку: Директор-распорядитель Аояма Синдзи (в середине) позирует с системой топливных элементов нового поколения, используемой в автомобилях FCEV, о начале продаж которых в Японии и Северной Америке в 2024 году объявила компания Honda (© Jiji Press)

Статьи по теме

• Стимулировать использование водорода: Toyota предложит рынку модульные блоки для автомобилей на топливных элементах
• Использование водорода изменяет структуру энергетики
• Испытания «водородного поезда»: JR East рассчитывает на коммерческое использование в 2024 году
• Первые водородные скутеры «Судзуки» вышли на японские дороги