В данной статье речь пойдет о водородных топливных элементах, о тенденциях и перспективах их применения. Топливные элементы на основе водорода притягивают сегодня все большее внимание специалистов автомобильной отрасли, ведь если 20 век был веком ДВС, то 21 век может стать веком водородной энергетики в автомобилестроении. Уже сегодня благодаря водородным элементам действуют космические корабли, а в некоторых странах мира водород уже более 10 лет используют для получения электроэнергии.
Водородный топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство вроде батарейки, которое вырабатывает электричество посредством химической реакции между водородом и кислородом, а продуктом химической реакции является чистая вода, тогда как при сжигании например природного газа образуется экологически вредный углекислый газ.
К тому же водородные элементы способны работать с более высоким КПД, вот почему на них возлагаются особенно большие надежды. Только представьте, эффективные двигатели автомобилей без вреда для окружающей среды. Вот только на данный момент вся инфраструктура выстроена и специализирована под нефтепродукты, и широкомасштабное внедрение водородных элементов в автомобилестроение натыкается на это и другие препятствия.
А между тем, еще с 1839 года известно, что водород и кислород можно соединить химическим путем и получить при этом электрический ток, то есть процесс электролиза воды обратим — это подтвержденный научный факт. Уже в 19 веке топливные элементы начали изучаться, однако развитие нефтедобычи и создание двигателя внутреннего сгорания оставило водородные источники энергии позади, и они стали чем-то экзотическим, не рентабельным, дорогим в производстве.
В 1950-е НАСА была вынуждена прибегнуть к водородным топливным элементам, и то по острой необходимости. Им требовался компактный и эффективный генератор электроэнергии для космических кораблей. В результате Apollo и Gemini полетели в космос на водородных топливных элементах — это оказалось лучшим решением.
На сегодняшний день топливные элементы полностью вышли из области экспериментальных технологий, и за последние 20 лет были достигнуты заметные успехи в плане их более широкой коммерциализации.
На водородные топливные элементы не зря возлагают большие надежды. В процессе их работы загрязнение окружающей среды минимально, технические преимущества и безопасность очевидны, кроме того данный вид топлива принципиально автономен и способен заменить тяжелые и дорогие литиевые батареи.
Топливо водородного элемента преобразуется в энергию прямо в ходе химической реакции, причем энергии здесь получается больше чем при обычном сгорании. Топлива расходуется меньше, а эффективность оказывается втрое выше чем у аналогичного устройства на ископаемом топливе.
Эффективность будет тем выше, чем лучше организован способ утилизации воды и тепла, образующихся в ходе реакции. Выброс вредных веществ минимален, ведь выделяется только вода, энергия и тепло, тогда как даже при самом успешно организованном процессе сжигания традиционного топлива неизбежно образуются оксиды азота, серы, углерода и прочие ненужные продукты сгорания.
К тому же отрасли добывающие обычное топливо сами по себе пагубно влияют на окружающую среду, а водородные топливные элементы позволяют избежать опасного вторжения в экосистему, поскольку добыча водорода возможна из полностью возобновляемых источников энергии. Даже утечка этого газа безопасна, так как он мгновенно улетучивается.
Топливному элементу без разницы, из какого известного топлива получен водород для его работы. Плотность энергии в кВт-ч/л будет одной и той же, причем данный показатель постоянно повышается с совершенствованием технологии создания топливных элементов.
Сам же водород может быть получен из любого удобного местного источника, будь то природный газ, уголь, биомасса или электролиз (за счет ветряной, солнечной энергии и т. д.) Зависимость от поставщиков электроэнергии из регионов пропадает, системы вообще независимы от электросетей.
Рабочие температуры элемента достаточно низки, и могут лежать в диапазоне от 80 до 1000°C, в зависимости от типа элемента, тогда как температура в обычном современном двигателе внутреннего сгорания доходит до 2300 °C. Топливный элемент компактен, издает минимум шума во время генерации, выброс вредных веществ отсутствует, поэтому он может быть размещен в любом удобном месте системы, в составе которой работает.
В принципе не только электроэнергия, но и тепло, которое высвобождается во время химической реакции, может быть утилизировано на полезные цели, например на подогрев воды, отопление помещений или получение холода, - при таком подходе КПД генерации энергии в элементе приблизится к 90%.
Элементы чувствительны к изменению нагрузки, поэтому при повышении мощности потребителя нужно подводить больше топлива. Это подобно тому, как работает бензиновый двигатель внутреннего сгорания или генератор. Технически топливный элемент реализуется достаточно просто, ведь тут нет подвижных деталей, конструкция получается простой и надежной, вероятность ее отказа принципиально крайне мала.
Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную (нафион, полибензимидазол и др.) мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Да, электрокары сегодня работают на литиевых батареях. Однако топливные водородные элементы могут их заменить. Вместо батареи будет стоять источник питания гораздо легче весом. К тому же мощность машины может быть повышена вовсе не за счет увеличения веса из-за добавления ячеек аккумуляторов, а просто регулировкой подачи топлива в систему, пока оно есть в баллоне. Поэтому производители автомобилей возлагают на топливные элементы с водородом большие надежды.
Более 10 лет назад работы по созданию автомобилей на водороде начались во многих странах мира, особенно в США и Европе. Кислород может добываться прямо из атмосферного воздуха при помощи особой фильтрующей компрессорной установки, располагаемой на борту автомобиля. Сжатый водород хранится в сверхпрочном баллоне под давлением порядка 400 атм. Заправка длится считанные минуты.
Концепция экологически чистого городского транспорта с середины нулевых годов 21 века реализуется в Европе: в Амстердаме, Гамбурге, Барселоне и Лондоне уже давно можно встретить такие пассажирские автобусы. В условиях мегаполиса крайне важно отсутствие вредных выбросов и пониженный шум. В Германии в 2018 г. пущен первый железнодорожный пассажирский состав на водородном топливе Coradia iLint. К 2021 г. запланирован пуск ещё 14 таких поездов.
В ближайшие 40 лет переход на водород как на основной источник энергии для автомобилей мог бы перевернуть энергетику и экономику мира. Хотя сейчас ясно, что нефть и газ останутся главными на рынке топлива как минимум еще лет 10.
Тем не менее некоторые государства уже сейчас вкладывают деньги в создание машин на водородных топливных элементах, несмотря на то, что предстоит преодолеть много технических и экономических барьеров.
Создание водородной инфраструктуры, безопасных заправочных станций — вот главная задача, ведь водород — взрывоопасный газ. Так или иначе, с водородом стоимость топлива и содержания транспорта может быть сильно уменьшена, а надежность — повышена.
По прогнозам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут расходовать 1900 тераватт-час вместо нынешних 13 млн баррелей в сутки, что составит 8% от спроса на электричество, в то время как 70% добываемой в мире нефти уходит сегодня именно на производство топлива для транспорта. Конечно, на данный момент перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными элементами.
В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался всего в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.
Так, в 2017 году был создан «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупных производителей автомобилей, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее широкое внедрение.
Технические преимущества водородных топливных элементов
1. Водород против литиевых батарей: технические преимущества
1.1. Энергоэффективность и вес
Современные электромобили работают на литий-ионных аккумуляторах, которые, несмотря на прогресс, остаются тяжелыми (до 500 кг для дальнобойных моделей) и теряют ёмкость со временем. Водородные топливные элементы (ТЭ) решают эту проблему:
-
Удельная энергоёмкость водорода (120 МДж/кг) в 3 раза выше, чем у бензина (44 МДж/кг), и в 100 раз выше, чем у литиевых батарей (0,5–1 МДж/кг).
-
Система хранения (баллоны + ТЭ) легче аналогичной по запасу хода батареи. Например, Toyota Mirai (182 л.с.) весит 1850 кг, а Tesla Model 3 (283 л.с.) — 1847 кг, но запас хода у Mirai — 650 км против 430 км у Model 3 (в реальных условиях).
1.2. Быстрая заправка и отсутствие деградации
-
Водородный автомобиль заправляется за 3–5 минут (против 30–60 минут у быстрых зарядок для электромобилей).
-
Топливные элементы не деградируют от циклов зарядки, в отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые через 5–8 лет теряют 20–30% ёмкости.
1.3. Работа в экстремальных условиях
-
При –30°C КПД литиевых батарей падает на 40%, а водородные системы сохраняют 80–90% эффективности благодаря отсутствию "холодного старта".
-
В жарком климате водородные ТЭ не перегреваются, так как тепло отводится через систему охлаждения.
2. Экономика водородного транспорта
2.1. Себестоимость водорода
На современном этапе развития энергетики рыночная стоимость одного килограмма водорода, сопоставимого по энергетической ценности с 4-5 литрами бензина, находится в диапазоне 5-7 долларов. Эксперты Международного энергетического агентства (IEA) прогнозируют существенное снижение этой цифры до 2-3 долларов за килограмм к 2030 году. Такое уменьшение стоимости станет возможным благодаря совершенствованию технологий производства водорода.
Особые перспективы связывают с развитием зелёного водорода, получаемого методом электролиза с использованием возобновляемых источников энергии. В настоящее время его себестоимость варьируется от 4 до 6 долларов за килограмм, причём эта величина существенно зависит от региональных цен на электроэнергию.
Ожидается, что к 2030 году данный показатель снизится до 1,5-2,5 долларов благодаря комплексному воздействию нескольких факторов. Значительный вклад внесёт удешевление электролизёров, стоимость которых может уменьшиться на 40-60%.
Параллельно ожидается повышение КПД установок с текущих 60% до 75%, а также масштабирование производственных мощностей, что особенно заметно на примере амбициозных планов Европейского Союза по вводу 80 ГВт генерирующих мощностей к указанному сроку.
Не менее важную роль играет развитие технологий производства голубого водорода, получаемого из природного газа с применением систем улавливания и хранения углекислого газа (CCUS). Согласно данным BloombergNEF, текущая себестоимость такого водорода составляет 1,5-2,5 доллара за килограмм.
Дальнейшее снижение затрат будет достигаться за счёт оптимизации процессов улавливания CO2, что может дать экономию в размере 20-30%, а также благодаря интеграции с существующей газовой инфраструктурой, о чём свидетельствуют активно развивающиеся проекты в США и Объединённых Арабских Эмиратах.
2.2. Сравнение с электромобилями и ДВС
| Параметр | Водородный авто | Электромобиль | ДВС |
|---|---|---|---|
| Стоимость топлива на 100 км | $8–12 (H2) | $3–6 (э/э) | $10–15 (бензин) |
| Заправка | 3–5 мин | 30–60 мин | 2–3 мин |
| Срок службы системы | 15+ лет | 8–12 лет | 10–15 лет |
| Экологичность | Нулевые выбросы | Зависит от сети | CO2, NOx |
2.3. Государственные субсидии
-
ЕС выделил €430 млрд до 2030 года на водородную энергетику.
-
Китай планирует 1 млн водородных авто к 2035 году.
-
США (IRA Act) даёт $3/кг субсидий на "чистый" водород.
3. Инфраструктура и безопасность
3.1. Заправочные станции
В 2024 году в мире всего ~1200 водородных заправок (для сравнения: электрозаправок — 3 млн). Но темпы роста высокие:
-
Германия — 100 станций к 2025 году.
-
Япония — 320 станций (лидер рынка).
-
Калифорния — 60 станций (самая развитая сеть в США).
3.2. Безопасность водорода
Миф о "взрывоопасности" развеян испытаниями:
-
Баллоны из углепластика выдерживают 700 бар и пулевые попадания.
-
При утечке водород мгновенно улетучивается (в 14 раз легче воздуха), тогда как бензин скапливается и горит.
-
В краш-тестах водородные авто безопаснее Tesla и ДВС.
4. Последние достижения (2023–2024)
4.1. Легковые автомобили
-
Toyota Mirai II (2024) — 650 км на одной заправке, цена $50 000.
-
Hyundai Nexo — 800 км хода, 5-звёздочный рейтинг Euro NCAP.
4.2. Грузовики и автобусы
-
Hyundai XCIENT Fuel Cell — 500 км для 36-тонного грузовика.
-
Китайские водородные автобусы (Foton, Yutong) — уже 4000+ на дорогах.
4.3. Железные дороги и авиация
-
Coradia iLint (Германия) — первый серийный водородный поезд (1000 км без дозаправки).
-
Airbus ZEROe — водородный самолёт на 200 пассажиров к 2035 году.
5. Перспективы до 2050 года
5.1. Доля на рынке
-
К 2030 году — 10% коммерческого транспорта (автобусы, грузовики).
-
К 2040 году — 30% авиации и морских перевозок.
-
К 2050 году — 20–25% всего мирового энергопотребления.
5.2. Экологический эффект
Переход на водород сократит выбросы CO2 на 6 гигатонн/год — это 15% от текущих глобальных выбросов.
5.3. Технологические барьеры
-
Снижение стоимости электролизёров (с 800/кВт до 300/кВт).
-
Развитие трубопроводного транспорта H2 (ЕС уже строит 6800 км водородных магистралей).
Водород — это не конкурент электромобилям, а стратегическое дополнение для секторов, где батареи неэффективны: авиация, судоходство, дальнобойные перевозки. Уже к 2030 году мы увидим массовые водородные грузовики и поезда, а к 2050 году — "зелёную" водородную экономику, которая изменит энергетику планеты.
Андрей Повный