Топливная ячейка. Альтернатива или тупик?

Кто сказал, что электрокар непременно должен работать от аккумулятора? Ток для питания двигателей весьма неплохо получается путем физико-химического процесса и из водорода. Так что же собой представляет топливная ячейка?

Что в более или менее отдаленном будущем автомобили будут приводиться в движение электромоторами, уже не вопрос. Но не аккумуляторами едиными будет поставляться энергия – есть и альтернативный способ. Правда, пока не столь раскрученный. Ключевое слово здесь – водород.

Полный бак за две минуты

Речь идет о топливной ячейке. Устройство, придуманное еще в далеком 1839-м Уильямом Робертом Гроувом, использует водород для производства электроэнергии И, соответственно, вполне подходит для установки в электрокары. Последним такое решение дает важное преимущество: бак заполняется всего за несколько минут. Такая практичность использования – мощный козырь системы, хотя по другим аспектам она отнюдь не идеальна.

Но давайте по порядку. История применения топливной ячейки на практике возвращает в начало 60-х. Первая же попытка реализации (1966 год) из-за крайне высокой стоимости и скромных характеристик вынудила прервать разработку. В 90-х освоить тему пробовал Mercedes, сначала на двух коммерческих моделях, а затем на Necar 3 в 1997-м, у которого, однако, на борту был реформер – нечто вроде компактного перегонного завода для получения водорода из метанола.

В последующие годы исследования технологии уже не прерывались. Было создано несколько прототипов (например Audi А7 h-tron quattro) и мелкосерийных моделей, которые можно взять в аренду или приобрести (такие как Honda FCX Clarity и Toyota Mirai, Hyundai Nexo и Mercedes GLC F-Cell). От альтернативного же применения водорода – сжигания его в моторе (с этим долго экспериментировали в BMW) – отказались. И наоборот, интерес производителей к топливным ячейкам в последнее время рос примерно такими же темпами, как развивались электромобили с аккумулятором – последние считаются наиболее вероятными преемниками моделей с ДВС.

Но есть и те, кто сомневается в реальной перспективе будущего, где присутствуют исключительно электрокары. Для ежегодного объема производства 20 млн «чистых» машин на батареях, планируемого к 2025 году при сохранении текущих темпов роста, потребуется добрых два десятка огромных заводов для создания необходимого количества аккумуляторных ячеек.

Важность материалов

Но дело не только в этом: при подобных темпах могут всплыть проблемы с поставками стратегических для создания аккумуляторов материалов – лития, кобальта, графита. И тут преимущество получает Китай, доминирующий сегодня во всех фазах производственного процесса батарей. Важная причина, чтобы поработать над альтернативными вариантами, одним из которых выступают топливные ячейки.

Они, конечно, тоже не безупречны. Но в некоторых условиях могут сказаться интересным вариантом замещения, особенно для крупных и тяжелых автомобилей. Такие обычно используют на длинных маршрутах, и если их оснащать большими аккумуляторами, то это в немалой мере повлияет на стоимость покупки. При увеличении запаса хода серьезно растет и стоимость аккумуляторов, в то время как цена углепластиковых баков для хранения водорода под высоким давлением (700 бар) почти не меняется. По этой причине топливная ячейка является серьезным решением в том числе для фургонов и грузовиков, то есть транспорта, на котором применение тяжелых аккумуляторов серьезно снижает грузоподъемность.

Энергетический вектор

С точки зрения ценных или редких материалов преимущество топливных ячеек заключается в следующем: в них используется только платина, которую получают при утилизации нейтрализаторов традиционных автомобилей. К тому же ее требуется все меньше – например, в ячейке Mercedes GLC F-Cell используется лишь десятая часть того, что было необходимо B-Class F-Cell образца 2011 года. Так что прогноз Toyota относительно стоимости моделей на топливных ячейках в 2025-м, возможно, недалек от истины: по цене они действительно способны сравняться с гибридами.

То есть главной проблемой водородных автомобилей является добыча и поставка этого газа. В природе его много (где-то три четверти Вселенной), но он всегда связан с каким-нибудь другим веществом, например с кислородом, соединение с которым образует воду. Таким образом, речь идет об энергетическом векторе, а не об источнике энергии, поскольку для отделения водорода от других химических элементов нужно тратить энергию, впоследствии с потерями возвращающуюся при использовании в топливных ячейках для получения электричества. Если ограничиваться процедурой «из резервуара на колеса», то такой процесс гораздо менее эффективен, чем использование электроэнергии в электромобилях с аккумуляторами. Но выбросы С02 за весь жизненный цикл машины на водороде сравнимы с аналогичным параметром традиционного электрокара. В последнем случае важное значение приобретает влияние на окружающую среду процессов производства и переработки батарей.

Как батарея, только с газом

Топливная ячейка работает так же, как батарея, но использует кислород и водород в роли реагентов. Молекула водорода Н, разделяется на два протона Н+ и на два электрона на аноде. Первые проходят сквозь мембрану протонного обмена и достигают катода, в то время как электроны вынуждены проходить через внешний контур, чтобы достигнуть катода, генерируя таким образом электроэнергию. Субпродуктами процесса становятся вода и тепло. Сегодня водород получают чаще всего из метана с помощью химического процесса под названием реформинг, однако в таком случае экологичность автомобилей на топливных элементах получается невысокой (но в течение всего жизненного цикла она остается выше, чем у аналога с аккумуляторами при равном запасе хода).

Другой случай – получение водорода через электролиз воды с использованием свободной электроэнергии от возобновляемых источников (солнца и ветра): таким образом газ превращается в некое подобие аккумулятора энергии и это снижает его вред окружающей среде. Например, Германия ежедневно экспортирует около 50 тВт энергии, способной питать 7 млн автомобилей на топливных элементах. Водородная мобильность приведет к созданию сети заправок, которая пока находится в зачаточном состоянии: в мире существует всего около 300 станций. Однако в одной только Германии их общее количество должно достигнуть сотни к концу 2019 года и 400 к 2023-му.

Слово эксперту Toyota

Инженер Иосиказу Танака – «отец» Mirai, водородного автомобиля Toyota. Мы задали ему несколько вопросов во время конференции по устойчивой мобильности в Венеции.

Какие факторы тормозят распространение автомобилей на топливных элементах?

Помимо все еще высокой цены и ограниченного распространения точек заправки есть и психологический фактор. Может показаться странным, но некоторые леди опасаются, что машины на топливных элементах могут взорваться. Газ у многих ассоциируется с бомбой, что, естественно, не соответствует действительности – водородные автомобили безопасны, но пока еще приходится объяснять это публике.

Что касается общего влияния на природу, включая производство, использование и переработку, какие критические стороны есть у водородных автомобилей и насколько они в этом контексте отличаются от электрокаров с батареями?

Следует улучшить технологии углепластиковых баков и снизить применение этого материала. То же самое касается платины, которая используется как катализатор в топливной ячейке. Кроме того, как водород, так и аккумуляторы следует применять эффективнее. Первое решение лучше для крупных

автомобилей, коммерческого транспорта и автобусов, таких как наш Sora, где больше места для размещения баков для газа. Второе больше подходит городским моделям, потому что им не требуется большой запас хода

Сеть распространения водорода еще только предстоит создать. Ограничено и количество станций быстрой зарядки. Необходимо вкладываться в оба варианта или есть альтернативы?

Подзарядка аккумуляторов постоянным током высокой мощности (150-350 кВт) позволяет снизить время, необходимое для операции, но делает батарею недолговечной. Поэтому выгоднее использовать медленную домашнюю зарядку ночью, в то время как для более крупных и тяжелых автомобилей, что используются на длинных маршрутах, выгоднее использовать топливные элементы.

Підпишіться на наш Telegram та Facebook або читайте нас в Google News, щоб нічого не пропустити.