Хотели по воде?
Автомобили с топливными элементами, которые заправляются водородом и выплевывают чистую воду, считаются идеальными электромобилями - по крайней мере, на бумаге. Но стоит ли строить водородную инфраструктуру рядом с энергосистемой?
Инженеров исследовательского центра Daimler в швабской Юре трудно остановить. Они восторженно показывают посетителям свой новейший автомобиль. Они пахнут выхлопом маленькой машины. Они делают круг за кругом для камер. И у них есть большое обещание: их творение, так называемый автомобиль на топливных элементах, очень скоро произведет революцию в дорожном движении.
Это было более 15 лет назад.
Сейчас, в 2018 году, наконец настало время. С GLC F-Cell, громоздким внедорожником, Daimler хочет запустить свой первый серийный автомобиль с приводом на топливных элементах. Тестовые автомобили сходят с конвейера. Серийное производство запланировано на ближайший год. Ожидания снова высоки, ведь преимущества топливных элементов не изменились. Инновационная технология привода, которая преобразует водород в электричество, обещает чистые, мощные электромобили, подходящие для повседневного использования. Однако, как и 15 лет назад, у него есть большая проблема: не хватает водородных заправок и необходимой инфраструктуры. «Здесь у нас классическая проблема курицы и яйца», - говорит Андреас Фридрих, глава отдела электрохимических энергетических технологий Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в Штутгарте. «Поэтому транспортные средства должны появиться одновременно с водородной инфраструктурой, а это требует согласованных действий».
Федеральное правительство хочет внести свой вклад и выделить до 1,4 миллиарда евро на развитие топливных элементов к 2026 году; Промышленность и наука обязались выделить более двух миллиардов евро. Только немецкие производители автомобилей все еще колеблются. «До сих пор производители автомобилей зарабатывали большую часть своих денег на двигателях внутреннего сгорания», - объясняет Фридрих. «По-прежнему недостаточно давления - как со стороны политиков, так и со стороны потребителей - чтобы сделать переход на водородные технологии выгодным для компаний».
"Многое произошло в разработке"(Андреас Фридрих)
Топливные элементы имеют массу преимуществ по сравнению с аккумуляторными батареями, по крайней мере, на бумаге. В камерах элементарный водород из газовых баллонов встречается с кислородом из окружающего воздуха - двумя неприметными газами, которые годились для впечатляющих кислородно-водородных взрывов на школьных уроках. В топливном элементе эта реакция протекает куда более цивилизованно: электрохимически, как говорят инженеры.
Для этого две молекулы водорода разделяются на мембране, образуя четыре электрона. Отрицательно заряженные частицы, в свою очередь, обеспечивают отделение молекулы кислорода. Вместе с отщепленным водородом он вступает в реакцию с образованием оксида водорода - по-английски: вода. Однако электроны не могут пройти через мембрану. По пути к кислороду вам нужно сделать крюк. Течет ток, который можно использовать для работы электродвигателя.
Как и в случае с электромобилями с батарейным питанием, местные выбросы отсутствуют. Из выхлопа выходит только водяной пар. Если водород также производится с использованием регенеративной энергии, технология привода не содержит вредного для климата углекислого газа.
Детские болезни были вчера
В отличие от аккумуляторных автомобилей, водородный бак может быть сконструирован настолько большим, что без проблем можно проехать до 600 километров. А автомобили на топливных элементах можно полностью заправить за три-пять минут - время, о котором владельцы автомобилей с аккумуляторными батареями могут только мечтать, даже на станциях быстрой зарядки.
Даже проблемы с прорезыванием зубов, которые преследовали системы 15 лет назад, теперь находятся под контролем инженеров. Современные топливные элементы, для которых почти исключительно в автомобилестроении используются полимерные мембраны (так называемые системы PEM), запускаются даже при отрицательных температурах. Ваше охлаждение во время работы больше не проблема. Даже срок службы сейчас приближается к сроку службы двигателей внутреннего сгорания. Фридрих утверждает, что не менее 80 процентов поставленной перед собой цели достигнуто. «Многое произошло в процессе разработки».
Но, прежде всего, инженеры уменьшили ячейки: в Daimler NECAR 5, переделанном B-классе, который уверенно прокатился по испытательному полигону в швабской Юре 15 лет назад, система топливных элементов по-прежнему заполняла все днище кузова.. Тем временем компоненты полностью перекочевали под капот. С Clarity Fuel Cell от Honda, который появился на рынке в прошлом году как один из первых серийных автомобилей с топливным элементом, например, 130-киловаттный привод едва ли больше, чем у обычного шестицилиндрового двигателя. Лимузин предлагает место для пяти пассажиров, вот только объем багажника несколько ограничен водородным баком.
Ключом к уменьшению размера ячейки стал улучшенный поток воздуха, сообщают инженеры Honda. Окружающий воздух теперь продавливается через тонкие каналы турбокомпрессором. В результате водяной пар, неизбежно возникающий в топливном элементе, больше не может конденсироваться; реакционные поверхности больше не блокируются. По словам Honda, в результате мощность увеличилась примерно на 50 процентов, а элемент стал на 20 процентов тоньше.
Но это все равно не убеждает покупателей. С января по сентябрь в США было продано всего 448 автомобилей Clarity. Лидер рынка Toyota представляет его со своим Mirai, «первым водородным седаном в массовом производстве», также всего 1044 экземпляра. Росавтотранспорт даже не указывает регистрационные номера автомобилей на водороде. По сообщениям отраслевого журнала Automobilwoche, в начале года на дорогах Германии было только 314 автомобилей на топливных элементах, в основном в качестве тестовых и демонстрационных автомобилей.
Небольшие количества также отражены в цене. Цена Toyota Mirai в Германии составляет чуть менее 80 000 евро. Конкурент Hyundai берет около 65 000 евро за свой ix35, небольшой внедорожник на топливных элементах. Ожидается, что Mercedes GLC F-Cell будет стоить чуть меньше 70 000 евро - если бы цена была выше, покупатели больше не получали бы экологический бонус, который федеральное правительство хочет использовать для увеличения продаж электромобилей.
«Эта технология все еще слишком дорогая», - объясняет исследователь DLR Фридрих. «Однако, как только начнется массовое производство, можно ожидать значительной экономии». Однако это влияет только на затраты на производство и на отдельные компоненты. Центральный компонент ячейки, с другой стороны, угрожает стать движущей силой цены: платина. Топливный элемент PEM нуждается в благородном металле в качестве так называемого катализатора, чтобы в первую очередь начать реакцию между водородом и кислородом.
Чтобы использовать как можно меньше дорогого драгоценного металла, производители автомобилей экспериментируют с чрезвычайно тонкими слоями платины, толщиной менее трех миллионных долей миллиметра, которые наносятся на волокнистые наноструктуры. Однако все это не должно быть слишком тонким и слишком филигранным. «Чем меньше платины используется, тем чувствительнее ячейка», - сообщает Фридрих. «Платина может быть отравлена, на нее можно нанести покрытие, она может стать неактивной, она может раствориться». В настоящее время разработчики достигли около 20 граммов платины для топливного элемента мощностью 100 киловатт. Цель - десять граммов - все еще значительно больше, чем три грамма, используемые сегодня в каталитическом нейтрализаторе бензинового двигателя. «Когда спрос увеличивается, цена может значительно измениться. Это делает платину критическим ресурсом, даже если содержание платины в топливных элементах приближается к сегодняшнему количеству в выхлопной системе», - говорит Фридрих.
Но самый большой враг топливных элементов находится на обочине дороги - а может и нет: в настоящее время в Германии существует всего 41 общедоступная водородная заправочная станция, шесть из которых неисправны. Если вы хотите добраться из Гамбурга в Мюнхен, в настоящее время вам нужно сделать объезд через Дортмунд. Следующая действующая заправочная станция вдоль A7, на самом деле прямое сообщение с севера на юг, появится только после Вюрцбурга - слишком рискованно для автомобилей на топливных элементах. Потому что если водород закончится, то путешествие невольно закончится на буксировочном крюке.
Поэтому Daimler установил в новый GLC F-Cell литиевую батарею в дополнение к топливному элементу с запасом хода до 500 километров. Аккумулятор можно воткнуть в розетку в любом месте и проехать еще 50 километров. Однако для реального транспортного средства на водороде это может быть лишь временным решением.
Тем не менее: Расширение сети АЗС продолжается, хотя и с большими субсидиями. Например, Министерство транспорта поддержало новую заправочную станцию, которую производитель газа Air Liquide открыл в Бремене, на 900 000 евро. Финансовые вливания должны позволить к 2019 году увеличить количество АЗС до 100. В 2023 году, согласно цели Немецкого партнерства в области чистой энергии (CEP), в рамках которого автомобильные и энергетические компании объединили свои усилия, заправка должна быть возможна в 400 точках. Однако до общенациональной сети им еще далеко. По расчетам Linde AG, для этого потребуется около 1000 АЗС и инвестиции в размере 1,7 млрд евро. Поэтому босс CEP Томас Быстри говорит в «Handelsblatt» о проекте века.
В то же время, однако, энергосистема также должна быть значительно расширена. Запланировано более 36 000 зарядных станций и 7 000 станций быстрой зарядки. Два огромных инфраструктурных проекта ради одной проблемы? «Лично я бы сказал, что в дополнение к электромобильности с батарейным питанием нам также нужен компонент для большей дальности и быстрой дозаправки», - подчеркивает глава отдела DLR Фридрих.
Тем не менее, чистые цифры не выглядят хорошими для водорода: если батареи оптимально заряжены, практически не теряется энергия; так называемый КПД составляет более 90 процентов. Топливные элементы, с другой стороны, достигают только около 50 процентов. Кроме того, промышленный водород в настоящее время производится почти исключительно из грязного ископаемого топлива. Если в будущем его производить из зеленого электричества с помощью процесса, называемого электролизом, то эффективность снова значительно упадет. Linde предполагает, что общий КПД от электричества до энергии привода будет составлять от 27,5 до 30 процентов, что сравнимо с обычными двигателями внутреннего сгорания.
Расходы на потребление топлива также находятся в том же диапазоне, что и для бензина и дизельного топлива: килограмм водорода в настоящее время стоит ровно 9,50 евро, цена, установленная политиками. Этого хватает на добрых 100 километров. Для сравнения, зарядка электромобиля в домашних условиях значительно дешевле.
"По сути, водород является идеальной средой хранения" (Андреас Фридрих)
Однако водородная инфраструктура имеет одно большое преимущество: она является хорошим накопителем энергии, и она понадобится в будущем. Электричество от солнца и ветра подвержено сильным суточным и сезонным колебаниям. Если для сети слишком много энергии, ее можно преобразовать в водород с помощью электролиза, который, в свою очередь, снова вырабатывает электричество, когда наступает затишье. Или водит машины. «Вы не сможете поглотить эти огромные колебания с помощью одних только батарей», - считает Фридрих. «По сути, водород - идеальная среда хранения».
Батарейки? Водород? Или оба? В конечном счете, это политическое решение, и другие страны продвинулись гораздо дальше. Китай объявил, что к 2025 году в стране будет около 50 000 автомобилей на топливных элементах. В 2030 году это должен быть один миллион автомобилей - цели, которых обычно придерживается коммунистическая система. Значительно меньший по размеру сосед Япония ставит перед собой еще более амбициозные цели: к 2025 году на дорогах этой страны должно появиться 200 000 автомобилей на топливных элементах, а к 2030 году - 0,8 миллиона. Прорыв должен произойти на летних Олимпийских играх 2020 года в Токио. Водород, по планам, будет там повсеместно.
Тем временем немецкие производители все еще пытаются набрать очки своим опытом, особенно Daimler. Согласно сообщениям из Штутгарта, автомобили группы на топливных элементах - от первого NECAR в 1994 году до нового GLC F-Cell - за это время преодолели более 18 миллионов километров. Прототипы были заправлены 36 000 раз. Без проблем. «Концепция привода, - говорит Даймлер, - доказала свою рыночную зрелость». Теперь рынку просто нужно это знать.