Аш-два-пшик

Водородные автомобили - пустая трата времени и возобновляемой энергии?
15.05.2021
Дэвид Уотсон

Доводы в пользу применения водорода - самого распространённого газа во Вселенной, при сжигании которого образуется только вода, - в качестве энергоносителя для транспорта на первый взгляд выглядят убедительно. Однако при детальном рассмотрении вопроса с инженерной точки зрения вся их неоспоримость сходит на нет.

Водород не существует на земле в достаточном количестве в свободной форме. Каждая молекула H2 должна быть произведена, и самый дешёвый и распространённый производственный метод - паровой риформинг метана. Образующийся водород называют «голубым», если в процессе используются те или иные методы улавливания диоксида углерода, или «серым», если таковые не используются.

Два источника

В зависимости от варианта используемой технологии на паровое преобразование требуется затратить на 33-50% больше энергии, чем содержится в получающемся водороде, и кроме того в окружающую среду выбрасываются большие объёмы углекислого газа в качестве побочного продукта. Недаром комитет правительства Великобритании по изменению климата в своём отчёте за 2018 год отметил необходимость «убедиться, что производство водорода с применением технологий по улавливанию и хранению углерода будет в достаточной мере экологически чистым для широкого применения», так как в настоящее время процесс этот «далек от углеродной нейтральности» из-за остаточных выбросов в 20-30%.

Основным источником водорода для транспорта по замыслу
должны стать морские ветропарки

Существует альтернативный процесс получения водорода - электролиз воды. Но он дорог, а энергии потребляет на 20-30% больше, чем впоследствии произведёт полученный водород. Этот метод производства считается «зелёным» и продвигается владельцами ветроэлектростанций как вариант эффективного использования избыточной возобновляемой энергии, которая не востребована энергосистемой. Однако затраты на выработку водорода при данном методе всегда будут больше, нежели чистая стоимость электроэнергии, используемой для его производства и транспортировки. И помимо остальных затрат необходимо дополнительно построить и обслуживать ветроэлектростанции.

Синтезирую инерцию

Некоторые апологеты водорода даже заявляют, что электролизёры помогут стабилизировать энергосеть благодаря тому, что ветряки постоянно работают и всегда готовы оперативно «подхватить» нагрузку, переключившись с электролиза на поставку энергии в сеть. Говорят, что тем самым снизится потребность в массивных инерционных электрических машинах, которые должны постоянно находиться во вращении. Здесь, однако, есть несколько тонкостей. Генераторы современных ветровых турбин не подключаются напрямую к сети и не привносят в неё инерцию. С сетью они соединены через схемы силовой электроники, так что о массивных синхронно вращающихся маховиках говорить не приходится. Концепция «синтетической инерции» вводит нас в заблуждение. Мало того: чтобы эта концепция хоть как-то заработала, в момент роста спроса на энергию должен дуть ветер, а время реакции на этот рост - исчисляться секундами.

С точки зрения метеорологии территория Великобритании и Северного моря невелика, погода здесь меняется одинаково, так что в результате можно получить ноль энергии и от наземных, и от морских ветропарков. Следовательно, синтетическая инерция вносит неопределённость в параметры энергетической системы, снижая её надёжность.

Крупнейший в мире морской ветропарк Hornsea 2 мощностью 1,4 ГВт у восточного побережья Англии, который должен быть запущен в эксплуатацию в 2022 году, будет производить «зелёный» водород. Согласно планам прототип плавучей ветроэлектростанции Dolphyn мощностью 2 МВт в 15 км от Абердина, первый из нескольких аналогичных проектов, не имеет электрического подключения к береговым системам и будет только доставлять водород по трубопроводу с 2024 года, а в 2027-м электростанцию планируется дополнить электролизной установкой мощностью 10 МВт.

Дефект масштаба

Сценарий развития энергетики будущего "Net Zero: Leading the Way", опубликованный в 2020 году оператором британской энергосистемы, предполагает, что к 2050 году стране потребуется 73 ГВт электролизных мощностей. Это втрое больше, чем текущая установленная мощность всей ветроэнергетики Великобритании. Строить электролизные установки и новые ветропарки придётся ударными темпами, тратя огромные средства, тем более что к середине столетия истечёт срок службы всех существующих сегодня ветрогенераторов.

Лёгкий, объёмный, дорогой

Сторонники использования водорода на транспорте указывают на то, что массовая плотность его химической энергии (около 33 кВт·ч на килограмм) - самая высокая среди всех известных веществ. Сравните это с бензином - около 13 кВт·ч/кг и дизельным топливом - 12,6 кВт·ч/кг, и цифры покажутся вам многообещающими. Однако из-за низкой плотности при обычных температурах водород приходится сжимать до давления 700 атм, так что получается объёмная плотность всего 1,4 кВт·ч/л (рассчитано исходя из сжигания без потерь энергии). Это слишком мало в сравнении с объёмной плотностью энергии бензина (10 кВт·ч/л) и дизельного топлива (10,6 кВт·ч/л).

Чтобы хранить килограмм водорода в электромобиле на топливных элементах (fuel cell electric vehicle - FCEV) при атмосферном давлении, потребуется бак размерами 3x2x2 м - с небольшой автомобиль. А для сжатия газа необходимо сложное и дорогое оборудование, которое расходует много энергии. Типичное доступное сегодня FCEV-авто с топливным баком на 125 литров может проехать около 640 км на пяти килограммах водорода, хранящегося при давлении в 700 раз выше атмосферного (давление столба воды на обломки «Титаника» на морском дне всего в 416 раз превышает атмосферное). На киловатт-час энергии получается пробег 2,85 километра, в то время как у дизельного и бензинового авто почти вдвое меньше - 1,5 километра. А вот чисто электрический автомобиль (рure electric vehicle - PEV) по этому параметру гораздо эффективней: на киловатт-часе запасённой в батарее энергии он преодолевает 4-6,5 километра. То есть по энергоэффективности PEV вдвое превосходит FCEV.

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС), которые представляют собой дешёвую альтернативу электроприводу и топливным элементам, эффективность применения водорода в качестве моторного топлива невелика. Кроме того, при сжигании водорода в ДВС выбрасывается почти в шесть раз больше окислов азота, чем при сжигании природного газа, а технологии очистки и рециркуляции выхлопных газов при использовании водорода стоят дороже. В данной области требуются дополнительные исследования.

Более чем вероятно, что в будущем водородные топливные элементы найдут применение в большегрузных транспортных средствах, такси и, возможно, в меньшей степени в общественном транспорте, поскольку время заправки, сопоставимое с бензином и дизельным топливом, позволит водителям оставаться в графике, отодвигая на второй план проблемы медленной зарядки аккумуляторов. При этом существенно вырастет стоимость самих транспортных средств и автомобильных перевозок. В Абердине уже есть небольшой парк FCEV-автобусов, каждый из которых стоит около 500 тысяч фунтов стерлингов (52 млн руб.). А ценник около 65 тысяч фунтов стерлингов (7 млн руб.) на современный семейный FCEV-автомобиль для большинства автолюбителей просто неподъёмен.

Водородные выбросы

Как мы уже отметили, водород хранится при высоком давлении и ввиду низкой плотности газа возможны его утечки. Водород - газ удушающий. Будучи в четырнадцать раз легче воздуха, он быстро рассеивается, поднимается вверх и образует горючие смеси в широком диапазоне концентраций - от 4 до 75%. В смеси с воздухом водород имеет очень низкую минимальную энергию воспламенения, высокую энергию сгорания и почти невидимое пламя, температура которого может достигать 2000 °C.

Тщательные испытания на утечки топлива, проведённые в прошлом году в Китайском научно-исследовательском центре автомобилестроения на двух основных FCEV-автомобилях, представленных на рынке, показали, что выбросы водорода могут значительно различаться в разных моделях. Тестирование в герметичной камере подтвердило, что с учётом утечек в автомобильном оборудовании и обогащения водородом выхлопных газов при запуске и остановке двигателя уровни концентрации водорода находятся в пределах, рекомендованных Обществом автомобильных инженеров. Тем не менее причины для беспокойства есть. Недаром китайские учёные пришли к такому заключению: «Следует уделить особое внимание допустимому уровню выбросов водорода автомобилями в замкнутых пространствах». Так, компании по страховке недвижимости наверняка будут негативно оценивать использование водородных автомобилей владельцами домов с прилегающими и встроенными гаражами.

Потери по цепочке

Расчёты некоторых ученых, например, профессора Тома Бакстера из университета Абердина и различных автопроизводителей, в частности Volkswagen, по эффективности использования «зёленого» водорода для заправки транспортных средств показали неутешительные результаты. В качестве источника электроэнергии рассматривается морская ветроэлектростанция. Если электролиз организуется прямо в море, нужно потратить немало энергии на предварительное обессоливание воды. Сам процесс электролиза имеет эффективность порядка 75%, а ещё часть энергии потеряется при сжатии и транспортировке водорода на берег. В случае перекачки газа по трубопроводу эффективность близка к 90%, а с применением танкеров она существенно ниже. Кроме того, около 7% энергии будет потеряно при заправке бака автомобиля под давлением 700 атмосфер, поскольку изначально водород сжимают до 825-1000 атмосфер (с запасом) и предварительно охлаждают примерно до -40 °C, чтобы при заправке автомобиля температура в баках не превысила 85 °C.

В проекте Dolphyn отрабатывается технология производства
водорода в море

Топливный элемент вырабатывает электроэнергию в виде постоянного тока. Этот процесс эффективен на 60%, потом происходит запуск электродвигателя и зарядка его высоковольтной батареи - здесь эффективность составляет около 95%. Таким образом, в целом при передаче мощности от ветропарка к приводным колёсам водородного авто от исходной энергии остаётся 35% и даже меньше.

Если рассматривать тот же процесс передачи энергии от ветроэлектростанции до полностью электрического автомобиля, увидим, что около 5% энергии будет потеряно при передаче по сетям из-за их электросопротивления. Еще 15% теряется при зарядке-разрядке бортовой аккумуляторной батареи большой ёмкости, а электроприводная трансмиссия имеет КПД около 95%. Это означает, что PEV демонстрируют эффективность на уровне около 75% - вдвое больше, чем в настоящее время достижимо с FCEV. Недаром полностью электрические авто на киловатт-часе энергии преодолевают на 150-200% большее расстояние.

Лучше меньше, но больше?

Хотя Группа Volkswagen решительно взялась за аккумуляторные авто, другие автопроизводители, такие как Volvo, говорят об их «условном преимуществе». О чём речь? Ввиду изначально более высоких энергетических потребностей процесса производства и относительно большого углеродного следа электромобили становятся экологически чище (по параметру выбросов углекислого газа), чем авто с ДВС, если на 100% обеспечиваются возобновляемым электричеством, но только после того, как пройдут 50 тысяч километров. А при текущем составе источников электроэнергии в Евросоюзе нужно говорить о дистанции в 80 тысяч километров. Надо сказать, что это нелепое рассуждение выглядит как проблема толстяка: «Что бы такое съесть, чтобы похудеть?» Понятно, что стратегия развития безуглеродного транспорта должна быть направлена на всяческое снижение общего энергопотребления, а не на его повышение. Напомним слова профессора Кембриджского университета Дэвида Маккея: «Климатический вопрос - это проблема энергетическая».

* * *

Исходя из сказанного приходим к выводу, что автомобили с водородными ДВС и на топливных элементах не являются реальными конкурентами для привычных нам машин с бензиновыми и дизельными двигателями, равно как и для электромобилей, и остаются малоэффективными и очень дорогими для перевозки грузов и общественного транспорта.

В общем объёме углеродных выбросов от наземных транспортных средств на легковые автомобили приходится 61%, на грузовые - только 17%, на автобусы - 3% и на железнодорожные поезда - 2% (данные за декабрь 2020 года), поэтому с точки зрения затрат и выгод перевод автобусов и поездов на двигатели с водородными топливными элементами нецелесообразен. Физика и экономика говорят нам, что автомобили на водородных топливных элементах вряд ли обретут популярность в обозримом будущем.

Источник: Engineering and technology

Читайте другие наши материалы