Электромобили считают экологичными, хотя электричество для их зарядки нередко вырабатывают на газовых и угольных электростанциях. Получается, что выбросы просто перемещаются из города к электростанции. Чтобы электромобили действительно работали на чистой энергии, электричество для них должно поступать от солнца и ветра. Но даже производство машин и батарей сопровождается выбросами CO₂, поэтому автопроизводители ищут способы снизить углеродный след.
Переход на электропривод не означает полного отсутствия выбросов: углекислый газ образуется и при производстве электроэнергии. Среди альтернативных решений — водородное топливо, а также синтетические виды топлива. Однако водородных заправок пока мало, а их строительство обходится дороже, чем создание зарядной станции или обычной АЗС. По оценке в статье, одна такая станция стоит около 65–140 млн бат.
Электромобили на батареях стремятся к углеродной нейтральности, но полностью чистыми они станут лишь при условии, что добыча сырья для аккумуляторов и зарядка за счёт ископаемого топлива прекратятся. На практике это трудно осуществить: для настоящего сокращения выбросов нужны возобновляемые источники энергии, включая солнце, ветер и зелёный водород.
Электричество из общей сети по-прежнему часто получают с помощью природного газа, угля и других ископаемых видов топлива. Поэтому электромобиль не устраняет выбросы, а переносит их от улиц к электростанциям. У водорода, в свою очередь, углеродный след зависит от способа его производства и может заметно различаться.
Зелёный водород производят с использованием солнечной и ветровой энергии. Но эти источники нестабильны: в безветренные дни турбины вырабатывают меньше электричества, а плотная облачность снижает эффективность солнечных панелей. По мнению инженеров Toyota, выбросы при производстве биотоплива и синтетического топлива также зависят от доступности биомассы. Использование зелёного водорода в двигателях внутреннего сгорания и для выработки электричества, как утверждается в статье, позволяет сократить выбросы по сравнению с системами, зависящими от угля и газа.
Toyota много лет развивает концепцию углеродной нейтральности. Электромобили на батареях и водородные машины с топливными элементами не выбрасывают выхлопных газов во время движения. Однако водородный двигатель внутреннего сгорания может выделять оксиды азота, как и дизельный двигатель, работающий на биотопливе или синтетическом топливе, — а также мелкие частицы.
Toyota заявляет, что водородные двигатели внутреннего сгорания выделяют меньше оксидов азота, чем обычные дизели. Компания рассматривает такую технологию как для пикапов, так и для тяжёлой техники.
Зелёный водород может стать альтернативой бензину и дизельному топливу и продлить использование двигателей внутреннего сгорания. В Toyota считают, что водород помогает снизить выбросы, хотя реальный экологический эффект зависит от того, как именно произведено топливо.
В споре об электромобилях и машинах с двигателями внутреннего сгорания важен не только сам двигатель, но и источник энергии. Если заменить ископаемое топливо более чистым, одним из вариантов может стать водород.
По оценке Toyota, эффективность преобразования энергии от бака до колёс составляет 75–85% у электромобилей на батареях и около 50% у машин с топливными элементами.
Двигатели внутреннего сгорания могут быть удобнее для дальних поездок и тяжёлых грузов. Водородные топливные элементы, напротив, особенно эффективны при небольшой нагрузке. Поэтому водородный двигатель рассматривают для пикапов, которым нужна стабильная тяга при перевозке грузов, а также для гоночных автомобилей, тяжёлой техники, грузовиков, судов и авиации.
Toyota, другие японские автопроизводители и некоторые европейские марки разрабатывают водородные двигатели внутреннего сгорания для коммерческого применения.
Toyota, Subaru, Mazda, Kawasaki и Yamaha объявили о сотрудничестве в области альтернативных видов топлива. Компании работают над водородными двигателями внутреннего сгорания, включая доработку систем впрыска и хранения водорода. Цель — приблизиться к углеродной нейтральности.
Европейские авиастроительные компании Airbus и Boeing также разрабатывают водородные турбовентиляторные двигатели для коммерческой авиации. Их появление ожидается в 2030–2032 годах.
Сжигание водорода в двигателях внутреннего сгорания — не новая идея. BMW выпускала Hydrogen 7 на базе 7 Series с водородным двигателем V12, а затем изучала водородную силовую установку для BMW X5. Mercedes-Benz в 2017 году испытывала технологию топливных элементов на автомобиле GLC Hydrogen.
Для водородных машин по-прежнему нужны дорогостоящая инфраструктура и надёжные баки. На борту нужно хранить достаточно топлива, чтобы обеспечить большой запас хода, при этом система должна быть максимально безопасной. Toyota занимается этими задачами уже давно, но коммерческое распространение технологии ещё предстоит наладить.
Топливные баки Toyota имеют многослойную конструкцию: внутренний слой сделан из смолы, поверх него расположен углепластик, а внешний слой усилен волокнами. Баки для водорода в Toyota Mirai последнего поколения прошли сертификацию безопасности и оснащены защитой от утечек и предохранительными клапанами.
Чтобы водородные автомобили стали востребованными, Toyota нужно убедить покупателей в безопасности и практичности технологии. Ещё одно серьёзное препятствие — высокая цена водородного топлива, из-за которой рынок развивается медленнее.
Силовая установка Toyota Hilux H2 FCEV заимствована у Mirai. Пикап оснащён никель-металлгидридной батареей, которая подаёт энергию электромотору на низкой скорости и помогает при резком ускорении. Мощность составляет 182 л. с., крутящий момент — 300 Н·м. На полном баке водорода автомобиль, по оценке статьи, способен проехать примерно 587–600 км.
Как работает Toyota Hilux H2:
1. Водород заправляют на специальной станции. По времени процесс сопоставим с обычной заправкой автомобиля.
2. Топливо хранится в баках под давлением 700 бар. Прочные и лёгкие баки изготовлены из углепластика; внутренний слой из полиамидной смолы помогает предотвратить утечку. Затем водород поступает к топливным элементам, расположенным в передней части автомобиля.
3. Через воздухозаборник кислород поступает в топливные элементы и вступает в реакцию с водородом. В результате вырабатываются электричество, тепло и вода. Электричество питает электромотор мощностью 182 л. с., а вода выходит из системы как побочный продукт.
4. Батарея помогает электромотору при резком ускорении. На низкой скорости она может подавать энергию без использования водорода. При торможении или отпускании педали акселератора система рекуперации возвращает часть энергии в батарею.
Основной узел автомобиля с топливными элементами — блок выработки энергии. Он состоит из ячеек с электролитической мембраной между анодом и катодом. Водород подают на анод, а кислород из воздуха — на катод. В ходе электрохимической реакции молекулы водорода разделяются на протоны и электроны: протоны проходят через мембрану, а движение электронов создаёт электрический ток. Побочный продукт реакции — чистая вода.
Выработанное электричество приводит в движение электромотор. Водородные автомобили обычно оснащают небольшой батареей-буфером: она помогает при ускорении и сохраняет энергию, полученную при замедлении и торможении.
К преимуществам машин с топливными элементами относят эффективное преобразование водорода в электричество, большой запас хода по сравнению со многими электромобилями на батареях и быструю заправку. В статье говорится, что она занимает около 3–5 минут — примерно столько же, сколько заправка обычным топливом.
Высокая плотность энергии водорода и быстрая заправка делают эту технологию привлекательной для перевозки грузов. Будущее таких перевозок не обязательно будет ограничено только электромобилями на батареях. Главные препятствия — недостаточное количество водородных станций и высокая стоимость производства зелёного водорода.
Когда заправочная инфраструктура станет такой же распространённой, как зарядные станции, на дорогах могут появиться как автомобили с топливными элементами, так и машины с водородными двигателями внутреннего сгорания. Они станут ещё одним вариантом транспорта с более низкими выбросами.
Аком Руамсуван
Электронная почта: [email protected]
Facebook: https://www.facebook.com/chang.arcom
https://www.facebook.com/ARCOM-CHANG-Thairath-Online-525369247505358/
