Водородный автомобиль перестает быть недоступной фантастикой

К концу десятилетия, транспортные средства, перемещающиеся на водороде, от таких производителей как GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и  Toyota, должны понемногу появляться в дилерских сетях. Они будут надежны и универсальны, хотя и будут стоить целое состояние, плюс ко всему заправить их будет очень нелегко. Очевидно, что для топливных элементов из водорода существует много препятствий, которые нужно преодолеть, чтобы проложить путь к потребителям.

Как работает топливный элемент?

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, которые находятся в контакте с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой мы получаем воду и электрический ток.

Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим для того, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что приведет к более высокому, более полезному напряжению. Топливные элементы могут быть до 80 процентов эффективнее обыкновенного бензина даже для самых мощных машин. Кроме того, даже уже существующие и активно применяемые современные альтернативные источники топлива в автомобилях типа растительного масла или природного газа, не так эффективны как водородное топливо, ввиду того что они не возобновляемы.

Революция топливных элементов не может начаться без достаточного количества АЗС, поэтому заметное отсутствие данной инфраструктуры пока тормозит развитие водорода как альтернативного вида топлива.

Рядовому Американцу, в зависимости от того, где он живет, возможно, придется немного подождать появления водородных заправочных станций. Еще пять лет назад общественное мнение сходилось на том, что «водородные автомобильные дороги» будут стимулировать будущее, что в США уже планируется посторенние станций вдоль Калифорнийского побережья, от Мэна до Майами.

Солнечные водородные станции компании Honda используют энергию солнца и электролизер для того, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция может производить около  5 700 литров водорода ежегодно (этого топлива практически достаточно для одного автомобиля на год). При подключении к электрической сети, станция может производить до 26 тысяч литров в год.

Теперь появилась новая идея: создать скопление станций в одном месте для обслуживания достаточно большого района. Использование такого плана предполагает развитие данного рыночного сегмента вблизи от заправочных станций, и делает водород более привлекательным видом топлива для потенциального покупателя автомобиля.

То, откуда вы будете брать водородное топливо, также будет зависеть от того, где вы живете и какие ресурсы вам доступны. В ближайшем будущем, АЗС будут заправлять автомобили водородом, доставленным на танкерах с крупных предприятий по реформингу топлива, поставки которого ни чем не будут уступать современным поставкам бензина с нефтеперегонных заводов. В долгосрочной перспективе, местные водородные заводы научаться извлекать пользу из местных ресурсов и из возобновляемых источников энергии.

Способ отделения водорода путем парового метанового реформинга применим к ископаемому топливу, как правило, к природному газу, его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не является возобновляемым источником энергии, но он распространен на территории нашего государства, и Министерство энергетики утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем у автомобилей, работающих на бензине. Также реформированный водород производится в больших масштабах и в настоящее время является дешевле, чем водород из других источников.

Водород также может быть получен из биомассы, такой как сельскохозяйственные отходы, отходы животноводства и сточные воды. Используя процесс, который называется газификация, биомасса находится под воздействием температуры, пара и кислорода с целью образования газа, который после дальнейшей обработки, в конечном итоге дает чистый водород. «Существуют полигоны, уже являющиеся готовыми источниками данного газа, который будет потрачен впустую, а мог бы стать источником водорода», говорит директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Также существует электролиз, процесс отделение водорода из воды при помощи электрического тока. Этот способ звучит более заманчиво по сравнению с ископаемым топливом и отходами животноводства, но он имеет свои недостатки. В настоящее время способ электролиза является конкурентоспособным в тех районах, где электричество относительно дешевое. Существуют электролизеры, работающие от солнечно энергии или энергии ветра, но расходы возобновляемых источников энергии не достигли того уровня, чтобы вдохнуть жизнь в этот способ получения водородного топлива.

«Как только водород получит свою нишу на топливном рынке, и как только на него будет спрос, как и на различные способы его получения, мы увидим, что больше по нраву потенциальным потребителям», говорит Варнер. «Некоторые из способов добычи водорода потребуют новых законов регулирующих его добычу. Если водород будет пользоваться постоянным спросом, вы увидите, как начнут регулировать правила использования свалочных ресурсов и воды для электролиза».

ПОНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ И РАЗВИТИЕ МОДЕЛЬНОГО РЯДА

В настоящее время, самым большим препятствием для производителей автомобилей на водородном топливе является стоимость существующих технологий. Например, набор топливных элементов, используемый в автомобилях до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Если не так давно вы посвящали себя поискам обручального кольца или символического подарка для своей любимой, вы наверняка представляете, насколько дорогим является этот металл.

Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена этого дорогостоящего металла на более распространенные металлы, такие как железо или кобальт, в качестве катализатора является возможной. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Переработка катализаторов еще больше может снизить стоимость, хотя автопроизводители пока не озвучивали на сколько.

На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. К примеру Mercedes  рассматривает возможность сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль) для того, чтобы на борту транспортного средства могло находиться больше топлива, с передовым литий-ионным аккумулятором в качестве дополнительного хранилища энергии. При таких улучшениях, как считает доктор Герберт Колер, вице-президент компании по исследованию новейших автомобильных технологий, предстоящие транспортные средства будут иметь диапазон, превышающий 1000 км.

Следует отметить, что автомобильные компании, в последнее время, начали не жалеть денег в свои инженерные цеха, где генерируются идеи новых автомобильных технологий.

Можно достичь дополнительной эффективности, которая будет получена за счет переработки архитектуры набора элементов. Уже сейчас Министерство энергетики утверждает, что затраты на строительство автомобилей с топливным элементом были снижены на 30 процентов за последние три года и на 80 процентов за последнее десятилетие. В то же время, долговечность топливных элементов увеличилась вдвое, но этого недостаточно, нужно увеличить ее еще в два раза. Современные транспортные средства с топливным элементом, как утверждается, работают, по крайней мере, 2 500 часов (или около 120 000 км), и это недостаточно хорошо. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нам нужно достичь результата в 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Toyota надеется продать седан, передвигающийся на топливе из водорода, за 50 тысяч долларов США. Несмотря на то, что в конечном счете развитие технологий может снизить затраты, реальные краткосрочные сбережения можно будет получить только от объемного производства. Один из печальных моментов производства состоит в том, что не существует оптовых поставок частей для автомобилей с водородным топливным элементом, даже автомобиль FCX Clarity, который уже находится в серийном производстве, не обеспечен дополнительными частями и оптовыми ценами на них. Но есть надежда, что производители могут установить топливные элементы водорода в уже и так дорогие модели для ранней адаптации, тем самым минимизируя свои потери. «Мы могли бы внедрить эту технологию в автомобили, цены на которые подобны ценам люксовых автомобилей. Пока рынок, не готовый к таким новшествам, переваривал бы эту новинку, мы бы (автопроизводители) в это время наращивали объемы», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

Производители автомобилей и строители инфраструктуры сходятся во  мнении, что одним из способов снижения затрат в краткосрочной перспективе является вмешательство со стороны государства.

Акцент на аккумуляторных технологиях сторонникам водорода кажется недальновидным. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель компании Honda. Технология, разработанная для FCX, например, в настоящее время развернута и на электромобиль Fit. «Мы считаем что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями могут дать весьма положительный результат, переплюнув все альтернативные источники энергии, имеющиеся на сегодняшний день и возглавив список самых экономичных машин этого десятилетия».

Что касается инфраструктуры, то те, кто платит из своего кармана за возведение новых заправочных станций говорят, что они не отказались бы от некоторой помощи до тех пор, пока не увеличится спрос на данный вид топлива и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro, компанию, которая строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Он считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей как он вкладывать деньги в строительство подобных станций. «Необходим реальный стимул, чтобы люди вкладывались в подобные предприятия», говорит Том. «Люди, которые находятся в трезвом уме, вероятно, не станут выделять деньги на строительство водородных заправочных станций».

Для Стива Эллиса из компании Honda этот вопрос является как практическим, так и политическим. «Эти технологии нанесут удар по общественным проблемам», говорит он. «Если это так, то поможет ли нам общество перейти на альтернативный вид топлива?»

Toyota открывает патенты, касающиеся водородных топливных элементов

Корпорация Toyota на выставке CES 2015 показала водородный автомобиль Mirai и сделала анонс, который должен способствовать развитию индустрии транспортных средств на топливных элементах (ТЭ).

Toyota открывает почти 6000 патентов, так или иначе связанных с водородными элементами, силовыми установками на их основе и соответствующими заправочными станциями. Причём воспользоваться интеллектуальной собственностью японского автогиганта заинтересованные стороны смогут на безвозмездных условиях — без выплаты отчислений.

Всего будет открыто около 5680 патентов. Примерно 1970 из них касаются блоков топливных элементов, ещё 290 — водородных резервуаров высокого давления. Примерно 3350 патентов связаны со средствами управления силовыми системами на водородных ТЭ, ещё 70 патентов затрагивают производство и поставку водорода.

Патентами смогут воспользоваться компании, проектирующие или собирающиеся выпускать водородные автомобили. Кроме того, интеллектуальная собственность Toyota будет доступна поставщикам компонентов для таких транспортных средств, а также энергетическим компаниям, заинтересованным в развитии водородной заправочной инфраструктуры.

Как сообщает Financial Times, необычность такого шага заключается в том, что Toyota раскрывает суть собственных изобретений совершенно бесплатно. В штаб-квартире это объясняют тем, что рассчитывают на создание конкуренции в производстве автомобилей на водороде.

«Одна компания не может создать новое общество. Этим должен заниматься весь мир», – заявил президент компании Акио Тойода.

Toyota тем самым пошла по стопам американского миллиардера Элона Маска, согласившегося раскрыть патенты Tesla с этой же целью – дать импульс для развития электромобильной отрасли. Это особенно важно, учитывая тот факт, что водородные автомобили пытаются победить в битве за потребителя будущего именно в споре с машинами на электричестве.

Развитие конкуренции должно решить и одну из главных проблем для Toyota – создать сети водородных заправочных станций. Пока их очень мало даже в США, где велись соответствующие разработки. Кроме того, водородная АЗС – весьма дорогое удовольствие. Строительство каждой из них пока обходится в несколько миллионов долларов.

Автомобиль Toyota Mirai будет выпускаться с 2016 года. Сначала это будут небольшие партии (по 700 машин в год), стоимость которых в Европе будет достигать €66 тысяч. Однако в дальнейшем компания рассчитывает увеличить ежегодное производство до десятков тысяч машин.

В случае с водородным автомобилем химическая реакция в двигателе происходит без процесса горения, что решает проблему вредных выбросов в атмосферу. Машины заправляются водородом, который при взаимодействии с кислородом и специальной батареей вырабатывает электричество.

«Мерседес» построил водородный концепт-кар с автопилотом

Компания Mercedes-Benz представила на выставке потребительской электроники CES в Лас-Вегасе концепт-кар F 015 Luxury in Motion («роскошь в движении»). Прототип получил системы полностью автономного управления и силовую установку на топливных ячейках с возможностью подзарядки батарей от бытовой электросети.

В состав 270-сильной силовой установки вошло два электромотора (по 135 сил каждый), энергия для которых вырабатывается в результате химической реакции между водородом и кислородом. Кроме того, агрегаты могут питаться от комплекта литий-ионных аккумуляторов. F 015 Luxury in Motion способен разгоняться с места до 100 километров в час за 6,7 секунды, а его максимальная скорость составляет 200 километров в час.

При полностью заправленных баках и заряженных батареях машина способна проехать 1100 километров, 200 километров из которых преодолеваются за счет энергии аккумуляторов.

Автомобиль может полностью управляться электроникой благодаря специальным камерам, лазерным и ультразвуковым сенсорам, а также подробным картам местности.

Кроме того, электроника прототипа способна «общаться» с другими автомобилями на дороге, объектами инфраструктуры и людьми. По словам представителей немецкой марки, чрезвычайно важно «создать доверительные отношения между человеком и автономным автомобилем».

К примеру, при ручном управлении светодиодные фары и задние фонари концепт-кара горят белым светом, а при включенном автопилоте – синим. Если приборы прототипа обнаружат на дороге пешехода, то LED-элементы на радиаторной решетке загорятся красным светом, а автомобиль автоматически остановится.

При этом система будет контролировать интенсивность торможения, исходя из расстояния от движущегося сзади объекта, чтобы избежать аварийной ситуации. Наконец, оказавшийся на пути пешеход услышит из внешнего динамика просьбу «отойти в сторону».

Осенью 2014 года компания Mercedes-Benz представила беспилотный грузовик будущего – Future Truck 2025. Испытания прототипа, который назвали «революцией на автомагистралях», проводили «в реальных дорожных ситуациях» на участке трассы неподалеку от Магдебурга. Предполагается, что первым серийным «Мерседесом» с автопилотом станет седан S-Class Intelegent Drive. Его премьера намечена на весну нынешнего года.