Среди всех альтернативных видов моторного топлива самым чистым и наиболее перспективным в настоящее время считается водород, при сгорании которого образуется только водяной пар. О перспективах использования водорода в качестве горючего для автомобилей размышлял Владимир ШЛЯХОВОЙ
По прогнозам, к 2040 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде
Стоимость водорода сильно зависит от способа его получения и колеблется от $1,5 до $10 за 1 кг
Водород является чистейшим (как в прямом, так и в переносном смысле слова) представителем возобновляемых источников энергии. Это очень легкий газ, 1 м3 которого весит 89 г, а 1 л сжиженного водорода более чем в 10 раз легче бензина и весит всего 71 г.
Добывается водород из воды и в воду же превращается при сгорании. При этом использоваться в качестве источника энергии водород может как в двигателях внутреннего сгорания, так и в топливных элементах, где в процессе его окисления вырабатывается не тепловая, а электрическая энергия.
По сравнению как с нефтяными топливами, так и со сжатым газом водород имеет целый ряд преимуществ. Прежде всего это очень высокая удельная теплота сгорания (энергоемкость), которая составляет 120,9 МДж/кг. (Для сравнения: для бензина данный показатель составляет 44 МДж/кг, а для метана — 49,8 МДж/кг.)
Кроме того, водород обладает намного более широким по сравнению с бензином диапазоном концентраций в газо-воздушной смеси, которую можно поджечь (от 4 до 75% по объему). А это позволяет легко изменять режим работы двигателя, выбирая между мощностью и экономичностью. При этом водород сгорает полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остается несгоревшая рабочая смесь.
Поэтому автомобили, двигатели которых работают на водороде, сочетают высокую динамику, присущую бензиновым машинам с нулевым выхлопом. Правда, при сгорании водорода образуются окислы азота, но бороться с ними уже научились.
На топливных элементах
Самый известный в мире водородный автомобиль — Honda FCX Clarity — построен с применением топливных элементов
Впрочем, гораздо более перспективными считаются автомобили с топливными элементами, не имеющими никаких движущихся частей. В этих элементах и происходит каталитическое соединение водорода с кислородом, с выделением паров воды. А энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию и используется для питания тягового двигателя и заряда аккумуляторов.
При этом КПД водородных силовых установок на топливных элементах втрое превышает данный показатель для бензиновых двигателей и вдвое – гибридных силовых установок, а их удельная мощность перевалила уже за 2 кВт/кг. Как результат, сверхвысокая экономичность автомобилей с топливными элементами. Так, 4 кг (171 л) сжатого до 260 атм водорода хватает, чтобы серийная «водородная» Honda FCX Clarity проехала 468 км, что соответствует расходу 0,85 кг/100 км!
В то же время машина, работающая на топливных элементах, пока весит гораздо тяжелее, чем ее аналог, оснащенный двигателем внутреннего сгорания. Ведь прибавку в весе дают и топливные элементы, и система питания, и электромоторы, и преобразователи тока, и мощные аккумуляторы. А это практически сводит на нет все достоинства автомобилей с топливными элементами, которые, по прогнозам, станут окупаемыми не раньше 2030 года.
Honda FCX Сlarity уже не первый год тестируется обычными семьями, проживающими в Калифорнии. На фото — один из владельцев FCX, Джон Спаллино, во время открытия новой водородной заправки в Южной Калифорнии
Пока водород не догонит в цене бензин, такие станции мы сможем увидеть разве что на картинках. А в США водородные заправки — уже привычный элемент дизайна. Готовятся!
Бак, баллон или «губка»?
Использование водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания вполне возможно и в настоящее время. Главное — определиться со способом хранения водорода в автомобиле.
Самый перспективный вариант — емкости со специальными металлгидридными сплавами, которые, словно губка, впитывают водород в свою кристаллическую решетку и отдают его при нагревании (например, 1 объем палладия «растворяет» 850 объемов водорода). Так достигается и высокая безопасность хранения, и высокая плотность упаковки топлива. Но до практического внедрения данного способа пройдет еще немало времени.
Совсем другое дело — привычные баллоны, в которых водород хранится в сжатом виде под давлением до 700 ат, либо криобаки, где он находится в жидком виде при сравнительно невысоком давлении, но низкой температуре (253° С).
Баллоны вмещают водорода меньше, чем криобак, и весят больше, но зато они обеспечивают сколь угодно длительное хранение водорода. Криобак же легче и вместительнее, но за неделю весь водород из него испарится.
Дорогое удовольствие
Стоимость водорода сильно зависит от способа его получения. К примеру, стоимость 1 кг (11,2 м3) водорода, полученного разными способами, составляет:
— при высокотемпературной обработке угля без доступа кислорода — $1,5–2;
— при конверсии метана — $2,5;
— при классическом электролизе воды — $2–10 (в зависимости от способа получения электроэнергии).
Увы, за чистоту приходится платить. Ведь для добычи 1 кг водорода методом электролиза необходимо затратить 60 кВт электроэнергии. Поэтому в настоящее время в основном используют не «чистые», а другие, менее энергозатратные способы. В то же время для сохранения «экологической чистоты» водорода он должен добываться не только с помощью электролиза воды, но и с использованием для этого «зеленой» электроэнергии, получаемой с помощью ветро-генераторов, солнечных батарей или гидроэлектростанций, что обеспечит «круговорот возобновляемой энергии».
В Украине водород пока экзотика, и к автомобильному топливу его никто не относит. О жидком водороде и тем более о водородных заправках мы умолчим. А вот за 40-литровый баллон технического водорода, сжатого до 200 ат (8 м3 или 714 г), просят 360 грн. или 500 грн./кг. При этом, несмотря на свою дороговизну, данный газ непригоден для топливных элементов. Увы, мы не имеем необходимых мощностей для производства чистого водорода.
США, Китай и страны Европы уже инвестировали в производство водорода миллиарды долларов, но и там он пока все еще стоит слишком дорого, что тоже сдерживает его использование в качестве топлива. Тем не менее в США, Канаде и Норвегии уже существуют «водородные» автомагистрали, оснащенные необходимой инфраструктурой.
В ближайшей перспективе
Уже сейчас практически все крупные авто-корпорации имеют в своем модельном ряду «водородные» автомобили и готовы в любой момент начать наращивать производство подобных машин.
Впрочем, понятно, что при нынешних ценах водородное топливо не может конкурировать с традиционными энергоносителями. Однако современные технологии совершенствуются, что приводит к снижению себестоимости альтернативного горючего, а традиционные нефтепродукты только дорожают. Поэтому в ближайшем будущем либо бензин приблизится к цене водородного топлива, либо водород подешевеет до цены нефтепродуктов. Но в любом случае производители водорода окажутся в выигрыше.
По прогнозам, к 2040 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде. Но какая часть водородных машин будет приводиться в движение двигателями внутреннего сгорания, а какая топливными элементами —предсказать пока никто не берется. Ведь хотя стоимость топливных элементов постоянно снижается, а технологии совершенствуются, они все еще существенно сложнее и дороже в производстве и к тому же имеют солидный вес.
Поэтому на первых порах нас ждут автомобили, которые могут ездить как на водороде, так и на бензине. Ведь купить подобную машину человек сможет уже тогда, когда в регионе, где он живет, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придется опасаться застрять вдали от нее с пустым водородным баком.
