Мир захвачен переходом на электромобили. Растет число стран, которые намечают конкретные сроки отказа от нефтяного транспорта. Ведущие автомобильные фирмы планируют снятие с производства бензиновых и дизельных автомобилей. Всех беспокоит каким образом будет развиваться инфраструктура для электромобилей, но как-то в тени находятся большие проблемы новых транспортных средств.
Бесспорно, электромобиль обладает рядом существенных преимуществ. Именно переход на электротранспорт сделал в принципе возможным оснащение таких средств передвижения автопилотами, что должно повысить безопасность движения и исключить человека из этого процесса.
При этом в тени остаются большие проблемы новой транспортной технологии, которые переходят в область энергетики. Ведь для большого количества электромобилей необходимо произвести и доставить до каждого пункта зарядки достаточное количество электроэнергии. В свою очередь возникает очень простой вопрос: из какого топлива или источника будет это расширяющееся производство. Не получится ли так, что уменьшив вредные выхлопы от автомобильных двигателей внутреннего сгорания, мы увеличим их на электростанциях.
Любой технический и природный процесс не бывает однозначно положительным или отрицательным. Всегда есть две стороны. Этот закон диалектики применим к энергетике и транспорту.
Вторая большая проблема электромобилей — это недостаточная пока емкость аккумуляторов, их большая масса и габариты, долгое время зарядки. Добавим, что пока литий-ионные аккумуляторы имеют склонность к перегревам и взрывам. К тому же литий и кобальт при добыче сильно загрязняют окружающую среду.
Можно предположить, что в ближайшее время будет начато производство новых типов аккумуляторов и от литий-ионных в нынешнем их виде откажутся, но остальные проблемы останутся, снизится только их острота.
Есть и социальные проблемы. В результате перехода с двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели в Германии к 2030 году будет потеряно около 125 тысяч рабочих мест. В ряде федеральных земель, где находятся крупные автомобильные заводы, уже готовятся к предстоящим изменениям.
Предпосылки для подобного сокращения заключаются в том, что хотя для электромобилей требуются дорогие аккумуляторы, многие другие составные части традиционных автомобилей, такие как механические коробки передач и другие компоненты двигателей внутреннего сгорания, больше не будут нужны. Поэтому электромобили в эксплуатации считаются более экономичными.
Не побоимся сказать, что в тени ажиотажа от внедрения электротранспорта остается начавшаяся революция в энергетике и средствах передвижения. Под последними мы имеем в виду не только автомобили, легковые и грузовые, но также железнодорожный, авиационный и морской транспорт.
Речь идет о внедрении в качестве энергетического носителя водорода. Трудно представить, но еще два-три года назад во многих изданиях писали, что перехода на водород, в частности, в транспорте либо никогда не произойдет, либо это дело очень отдаленной перспективы. Как тут не вспомнить директора британской почты, которому показали телефон Александра Белла. Высокопоставленный чиновник посчитал, что может быть американцы и будут использовать это новое и пока несовершенное средство связи, а британцы обойдутся мальчиками-посыльными.
И вот американский стартап, компания Nikola, базирующаяся в штате Юта, представила седельный тягач Nikola One, работающий на водородном топливе. Новинка предназначается для перевозки больших грузов и обещает запас хода 1300-1900 км между заправками.
В 2020 году в продаже появится новое (второе) поколение седана Toyota Mirai, работающего на водородных топливных элементах. В Китае фирма Grove со следующего года начинает выпуск автомобиля Grove Obsidian на водородных топливных элементах с запасом хода 1000 км. Заправка машины будет занимать не более 3 минут.
По данным Bloomberg, китайские инвестиции в водородный транспорт до 2023 года составят более $17 млрд. На эти средства планируется наладить масштабное производство топливных элементов, построить сеть высокотехнологичных заправочных станций, создать предприятия, выпускающие водородные автомобили. К 2020 году в КНР с конвейера должно быть выпущено 5000 водородных автомобилей, к 2025 году их количество составит по меньшей мере 50 тысяч, а к 2030 — один миллион.
В Германии водородные поезда Coradia iLint перевозят пассажиров по стокилометровому маршруту между городами Бремерхафен, Куксхафен, Букстехуде и Бремерферде. Они уже успешно отработали свои первые 100 тысяч километров спустя десять месяцев после начала регулярной перевозки пассажиров. До конца 2021 года на этой не электрифицированной железнодорожной линии на северо-западе страны в федеральной земле Нижняя Саксония собираются полностью отказаться от дизельных локомотивов, заменив их на 14 поездов, вырабатывающих электроэнергию в водородных топливных элементах.
Такие же водородные электрички решили использовать и в федеральной земле Гессен. В мае выпускающий их французский концерн Alstom получил заказ в €500 млн. на 27 поездов, которые с 2022 года планируется использовать для пригородного сообщения с горным массивом Таунус к северо-западу от Франкфурта-на-Майне.
Сразу оговоримся, что так называемый водородный транспорт фактически тот же электромобиль, только источником энергии является водород.
Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века.
В 1959 году, Фрэнсис Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент, но с существенной разницей. Вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.
Наряду с энергетическим преимуществом топливные водородные элементы обладают и экологическими. Разработчики водородного кроссовера Hyundai Nexo уверяют, что их авто не только не выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но и очищает за час несколько десятков килограммов воздуха, которых может хватить более чем на 40 людей. Сообщается, что 10 тыс. подобных водородных кроссоверов на улицах мегаполисов могут заменить около 600 тыс. деревьев.
К тому же водород является одним из наиболее распространенных элементов в природе, в отличие от основных элементов батарей для электрокаров — лития и кобальта, за которые компании уже устраивают настоящие войны.
У водородных топливных элементов очень высокий КПД — 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 35-40%.
Современный водородный автомобиль представляет разновидность электромобиля, так как движение осуществляет электрический двигатель. В водородном топливном элементе производится электроэнергия, которая направляется в буферный аккумулятор, а затем после преобразования инвертором в переменный ток и повышения напряжения подается на зажимы электродвигателя. При этом буферный аккумулятор по сравнению с электромобилем значительно меньшей емкости и габаритов, так как он не является главным источником энергии.
Возникает проблема получения большого количества водорода. Есть несколько промышленных способов, но наиболее удобным и простым является электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуются водород и кислород.
Пока этот способ является наиболее дорогим, так как требует большого количества электроэнергии необходимой для проведения реакции. Однако быстрое развитие энергетики возобновляемых источников, в частности солнечных элементов, позволит в самое ближайшее время сделать электролиз воды основным в производстве водорода.
В Австрии три ведущих концерна готовят сразу несколько совместных пилотных проектов, в том числе по использованию водорода вместо угля при производстве стали, а канцлер Себастьян Курц в ходе недавней парламентской избирательной кампании выдвинул лозунг превращения своей страны в «водородную державу №1». На эту же роль претендует и Франция.
В третьем по величине британском городе Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект под многозначительным названием H21. Его конечная цель состоит в том, чтобы во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород. Аналогичные работы ведутся в немецком Гентхине.
Использование водорода означает революцию в технологиях производства, транспорта, преобразования и использования энергии. Водород по всем параметрам превосходит ископаемые виды топлива. От угольной генерации Европа уже отказывается. На очереди газ.
Транспорт также будет уходить от нефти и первых вариантов электромобилей. Уже строятся суда с водородными топливными элементами, на очереди авиация. В последней придется решить целый ряд сложных инженерных задач, но принципиальные решения уже имеются.
Мир вступил не только в цифровую, но и новую энергетическую эпоху с другими видами транспорта.
