Еще в 2016 году самый известный в мире автомобильный журналист Джереми Кларксон пригвоздил свой флаг к мачте ББМ. В статье в The Sunday Times Driving Кларксон писал:«...если бы машина производила только воду и могла питать наш дом ночью, мы бы ее купили. И тогда автомобильная промышленность перестанет возиться со своими бессмысленными батареями и системами гибридного привода и выйдет на единственную дорогу, где действительно есть будущее для личной мобильности. Водородная дорога."
Несмотря на значительное влияние Кларксона не только на его ярых поклонников, но и на автомобильную промышленность и даже на мягкое давление на правительство, водород отстает от электрификации аккумуляторов. И это несмотря на то, что во многих отношениях водород действительно является идеальной заменой ископаемого топлива.
Его можно хранить и транспортировать, как в настоящее время сжиженный нефтяной газ; его можно вылить из помпы, пока вы стоите и ждете; он заполняет физический бак, и когда вы начинаете ездить, этот бак постепенно и незаметно опустошается. Инфраструктура, которая у нас есть в настоящее время для поставок жидкого топлива, существует, и при наличии инвестиций она могла бы поставлять водород. Даже автомобили с водородными топливными элементами имеют запас хода, эквивалентный запасу хода обычного бензинового хэтчбека.
Учитывая все это, почему большинство автопроизводителей бросают вызов не только весомому — и несколько шумному — мнению Кларксона, но и логике в погоне за аккумуляторными электромобилями? С какой стати они не лезут из кожи вон, чтобы сделать электромобили на топливных элементах (FCEV)? И почему основные поставщики топлива не следуют этому примеру и не производят и не поставляют водород вместо углеводородного топлива?
Так много вопросов и так мало слов. Но реальность такова, что ландшафт альтернативного топлива сложен, заполнен неправильными представлениями и препятствиями на пути к прогрессу, и то, что может показаться лучшим вариантом для массового личного транспорта на бумаге, потенциально подходит для различных областей перемещения людей — и вещей — от место к месту.
На бумаге уравнение очень простое; водород + кислород =электричество и водяной пар. На практике это немного сложнее, но держитесь с нами здесь.
Топливный элемент состоит из четырех основных частей:анода, катода, электролита (протонообменная мембрана или ПОМ) и катализатора. Он работает, пропуская водород через анод — фактически топливо, поступающее в двигатель. Кислород из свежего воздуха проходит через катод – как воздух всасывается в цилиндры. На анодном участке молекулы водорода расщепляются на электроны и протоны. Протоны проходят через мембрану электролита (думайте о мембране как о процессе горения, превращающем топливо в полезную энергию) и фактически являются отходами. Электроны проходят через цепь, генерируя электрический ток, который питает электромобиль на топливных элементах, при этом также выделяется избыточное тепло. На катоде протоны, электроны и кислород объединяются, образуя воду — единственный физический «выхлоп» FCEV.
Они бесшумны, долговечны, имеют КПД около 80% и масштабируются от достаточно маленьких, чтобы привести в действие игрушечную машинку, до достаточно больших, чтобы привести в действие... Ну, почти все, что имеет достаточно места и достаточное количество сырого водорода. Наше руководство по автомобилям на водородных топливных элементах стоит прочитать.
Очень немногие производители фактически производят FCEV для государственных закупок. Главными действующими лицами являются Hyundai, Toyota и Honda, у всех из которых есть FCEV, сходящие с их производственных линий, хотя и в ограниченном количестве и на ограниченных рынках. По крайней мере, в Великобритании наш выбор ограничен тремя автомобилями — Hyundai Nexo FCEV, Toyota Mirai или Honda Clarity.
Другие бренды постепенно начинают действовать и, по крайней мере, изучают идею добавления водородных топливных элементов к своей смеси типов топлива. BMW представил i Hydrogen во Франкфурте; Audi подтвердила свою приверженность топливу с помощью h-tron; Mercedes-Benz фактически запустил свой F-Cell FCEV на базе B-класса еще в 2010 году и, как и Audi, заверил нас, что он все еще очень активно использует эту технологию, а председатель Daimler Ола Каллениус заявил:«Мы по-прежнему считаем, что топливные элементы являются частью решение для мобильности с нулевым уровнем выбросов в будущем».
Однако, в отличие от электромобилей, где технология легко доступна «с полки», FCEV не так легко поддаются начинающим автопроизводителям. Таким образом, не так много амбициозных компаний, вступающих в бой, но это не остановило Riversimple — британскую компанию FCEV, которая разрабатывает как саму технологию топливных элементов, так и свой сверхэффективный двухместный городской автомобиль. Раса. Однако Риверсайд — один из немногих, кто сбился с пути именно по этому пути.
Возвращаясь к автопроизводителям… Hyundai находится в авангарде производства FCEV с тех пор, как в 2005 году он начал производить свой Tucson FCEV. Спустя восемь лет после разработки нового поколения ix35 FCEV корейский бренд объявил, что ставит автомобиль запущен в серийное производство на заводе в Ульсане тиражом 10 000 единиц — беспрецедентный показатель для того времени.
Однако к 2015 году была произведена лишь небольшая часть от общего количества, и чуть более 100 штук попали в Великобританию. И большинство из них были сданы в аренду неправительственным организациям и использовались самой Hyundai в качестве демонстрационных автомобилей. В то время здесь было шесть общедоступных водородных заправочных станций, в основном в Лондоне или его окрестностях, поэтому, хотя технически публика могла бы купить FCEV (примерно за 60 000 фунтов стерлингов) и использовать его в дороге, это было не так. реалистичное предложение для любого.
Наряду с запуском ix35 FCEV в Великобритании на первый план вышли различные партнерства и стратегии по производству, распределению и хранению крайне важного газообразного водорода. ITM Power — британская фирма, уже закрепившаяся на рынке и имеющая большие амбиции, — разработала способ оснащения существующих площадок для производства водорода на месте. Ведь для создания газа электролизом требуется только электрическая энергия (солнечная или ветровая) и вода.
Другие компании, такие как Air Products, присоединились к таким схемам, как проект расширения лондонской водородной сети, целью которого было увеличение доступности топлива в столице и ее окрестностях. Опыт Air Products в области хранения и транспортировки газа сделал их идеальным противовесом локализованному подходу ITM Power к производству водорода, обеспечив наличие готовой распределительной сети для снабжения заправочных станций по всей стране. Shell стремится перейти на водород, без сомнения опасаясь снижения продаж топлива по мере роста популярности электромобилей и ее доступа к газу как побочному продукту нефтехимических процессов.
Учитывая все эти усилия в середине 2010-х годов и то, что такие компании, как Toyota и Honda, начали предлагать ограниченные запасы своих FCEV для продажи примерно в одно и то же время, вы могли бы подумать, что сегодня существует скромная, но эффективная сеть. мест, где можно остановиться за каплей H2. К сожалению, вы ошибаетесь; с 2013 года количество заправочных станций, оборудованных водородом, выросло до 14. Да, 14, что делает FCEV совершенно бесполезным предложением практически для всех в Великобритании.
И это до того, как вы получите цену в 66 тысяч фунтов стерлингов за что-то вроде Toyota Mirai или Hyundai Nexo FCEV. Частично это стоимость драгоценных металлов для изготовления топливного элемента. Например, топливный элемент мощностью 50 кВт использует около 50 г платины, которая стоит 1500 фунтов стерлингов. Таким образом, топливный элемент Toyota Mirai мощностью 113 кВт стучится в дверь стоимостью 3500 фунтов стерлингов только за платину. По оценкам BMW, трансмиссия на топливных элементах стоит примерно в десять раз больше, чем аналогичный электрический вариант с аккумуляторной батареей, и во много раз больше, чем заурядный двигатель внутреннего сгорания.
Производители хорошо осведомлены об этой проблеме стоимости. Hyundai сказал нам:«Мы прилагаем все усилия, чтобы снизить затраты на технологию и сделать их более сопоставимыми с существующими силовыми установками для электромобилей, и считаем, что это может произойти в течение пяти лет при объеме производства около 200 000 автомобилей по всему миру. Спрос будет расти, когда будет доступно больше автомобилей, поэтому, устанавливая стратегические партнерские отношения с другими OEM-производителями, такими как наша с Audi и Toyota с BMW, мы можем вывести на рынок больше автомобилей».
Объединение Hyundai с Audi приведет к тому, что компании будут обмениваться технологиями, и, как и сделка Toyota с BMW, немецкие компании знают, что они отстают от своих азиатских коллег и должны использовать свой опыт для ускорения разработки FCEV. Audi Chariman, Брэм Шот, сказал:«Мы действительно хотим ускорить его. Мы собираемся уделять больше внимания водородным топливным элементам — больше денег, больше возможностей и больше уверенности».
Другая проблема с водородом заключается в том, что его производство недешево. Обычно покупаемый за килограмм, он стоит около 10,70 фунтов стерлингов за кг, а с автомобилями FCEV, такими как Toyota Miari, способными удерживать 5 кг, вы смотрите на цены, подобные бензину, за милю за милю. Электромобиль с аккумуляторной батареей на 60 кВтч можно зарядить дома всего за 4,20 фунта стерлингов, и, несмотря на то, что вы можете проехать всего 220 миль по сравнению с более чем 400 мильным пробегом у Mirai, он все же значительно дешевле для того же диапазона.
Глядя на тот же период с 2013 года по настоящее время в контексте аккумуляторных электромобилей, вещи не могут быть более разными. Популярность электромобилей резко возросла, и понятно, почему. Вы можете купить его менее чем за 30 000 фунтов стерлингов (и цены неуклонно снижаются), заряжать его дома или никогда не находиться дальше нескольких миль от общественного зарядного устройства, поскольку количество разъемов для зарядки в Великобритании превысило отметку в 30 000. Автомобильные компании инвестировали миллиарды в аккумуляторы, безопасность, дизайн и технологии связи; Электромобили теперь являются не только средством передвижения, но и образом жизни.
Общественность тоже голосует своим кошельком. Месяц за месяцем в 2019 году мы наблюдали трехзначный годовой рост числа регистраций электромобилей в Великобритании, и для покупки доступно более 100 различных типов чистых электромобилей или подключаемых гибридов. Ежемесячно этот показатель растет, а 2020 год станет рекордным для запуска электромобилей, и интерес к ним у публики продолжает расти.
Во многих официальных документах, в которых изучались сложности, связанные с достижением цели по нулевому чистому уровню выбросов к 2050 году, предполагается, что они будут составлять важнейшую часть будущей топливной смеси для транспортных средств. Такие организации, как Северо-Западный водородный альянс, согласны с тем, что автомобильные компании, которые уже вложили средства в технологию, продолжают верить в ее жизнеспособность, а правительство ни в коем случае не отказывается от этой идеи.
Скажем так, такие производители, как BMW, не беспокоились бы об этом, если бы не было хотя бы искры надежды на топливо, а немецкий бренд банок подтвердил свою веру в водород на автосалоне во Франкфурте в 2019 году. Директор по развитию Клаус Фрелих сказал:«В начале 2020-х годов будет выпущена небольшая серия водородных автомобилей X5, а к 2025 году будет доступен серийный водородный автомобиль с Toyota».
Фрелих признал, что эта первая партия водородных X5 будет невероятно дорогой и поэтому будет доступна очень немногим людям по схеме аренды. В то время как BMW признает, что может начать производство водородного топливного блока уже сегодня, Фрелих сказал:«Не имеет смысла масштабировать топливный элемент, когда пакет стоит 80 000 евро. Имеет смысл масштабировать его, когда он стоит 10 000 евро».
Между тем, Honda использует свое партнерство с GM, чтобы снизить стоимость следующего поколения FCEV. Тошихиро Мибе, директор Honda по исследованиям и разработкам, сказал:«Благодаря топливным элементам Clarity Fuel Cell обычные клиенты наконец-то могут позволить себе FCV. Но у нас еще есть над чем поработать, так как закупки топливных элементов Clarity субсидируются государством, а это не так. С этой целью нам нужно сделать FCV более распространенными. В настоящее время Honda работает с GM над разработкой следующего FCV и считает, что это станет ключом к массовому внедрению и экономической выгоде, а также к другим возможностям, таким как развитие инфраструктуры».
Hyundai остается решительным и громким сторонником использования водорода как части будущего топливного баланса, особенно в противовес правительственному плану «Дорога к нулю». Корейский бренд справедливо отмечает, что в Великобритании правительство должно предлагать нисходящий подход к водороду; в конце концов, частные компании мало что могут сделать без поддерживающего законодательства. Hyundai сказал нам:«Мы считаем, что преимущества технологии в целом понятны, но требуется дополнительное обучение. Однако до тех пор, пока инфраструктура заправки не улучшится, будет существовать барьер для внедрения в больших количествах. Если планы правительства «Дорога к нулю» должны быть выполнены, правительству необходимо будет обеспечить полное соответствие всей соответствующей законодательной политики плану R2Z, тем самым устраняя определенные барьеры на пути развития структуры заправок».
Но может ли водород реально занять какое-то место в электричестве аккумуляторов как средстве доставки нас из пункта А в пункт Б, или его полезность заключается в других транспортных приложениях?
Несмотря на многочисленные препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы завоевать популярность на массовом рынке, прецеденты уже созданы в Скандинавии, Южной Корее, Японии и США. Во всех этих местах была установлена инфраструктура, которая позволила автомобилям на водородных топливных элементах стать по-настоящему жизнеспособным вариантом для потребителей.
В Северной Европе Партнерство Скандинавских водородных магистралей привело к созданию 20 заправочных станций, разделенных между Норвегией, Швецией и Данией, которые связывают столицы каждой страны вдоль «скандинавского водородного коридора». В Южной Корее, где Hyundai разрабатывает и производит свои водородные топливные элементы и где на дорогах находится около 3000 FCEV, есть 29 заправочных станций — намного меньше 114, которые правительство планировало к этому времени. В Японии более 100 заправочных станций, в то время как в США их около 50, причем более 40 из них расположены в Калифорнии.
Но на двух из этих рынков (Скандинавия и Южная Корея) произошли инциденты, которые угрожали полным отключением водородных сетей. Еще в июне 2019 года заправочные станции по всей Скандинавии временно закрылись после взрыва заправочной станции в Осло, Норвегия, принадлежащей Uno-X — ведущему поставщику водородных заправочных станций в стране в Скандинавии. К счастью, никто серьезно не пострадал, но и Toyota, и Hyundai приостановили продажу FCEV, пока не было топлива, и предоставили автомобили с двигателем внутреннего сгорания владельцам, которые в противном случае оказались бы в затруднительном положении.
Что еще более зловеще, в мае того же года взорвался резервуар для хранения водорода в правительственном исследовательском проекте в сельском городе Каннын. Он разрушил комплекс размером примерно с половину футбольного поля, в результате чего двое погибли и шестеро получили ранения. Предполагается, что кислород попал в бак и воспламенился от искры. Всего четыре месяца спустя трое корейских рабочих получили ожоги на химическом заводе из-за утечки водорода и последующего пожара.
Конечно, пожары на заправочных станциях и связанные с ними смерти не так уж редки по сравнению с этим; разливы топлива и последующие пожары в более бедных странах постоянно уносят жизни десятков людей, так почему же массовое отключение после сравнительно небольших событий?
Существует множество заблуждений относительно безопасности использования водорода в качестве топлива. Как указывает Hydrogen Europe (орган, который представляет пользователей газа и продвигает его использование на всем континенте), «в сознании людей они слышат водород и думают о Гинденбурге, однако это распространенное заблуждение». В этом случае наиболее энергично сгорали краска на обшивке дирижабля и дизельное топливо для двигателей; водород был бы израсходован над головами пассажиров очень быстро. Замените инертный гелий на водород в Гинденбурге, и результат будет таким же.
Правда в том, что водород не менее безопасен, чем бензин, и во многих ситуациях его характеристики делают его более безопасным. Автомобиль Hyundai Nexo FCEV получил безупречный пятизвездочный рейтинг безопасности Euro NCAP.
Главный фактор здесь — способ хранения. В автомобилях, работающих на топливных элементах, резервуары для хранения почти не поддаются разрушению и подвергаются строгим испытаниям, включая:полмиллиона циклов безотказной работы от разгерметизации до полного рабочего давления; падение с высоты; выстрелил в упор из винтовки; сожгли 30 минут на костре; раздавлен под давлением 150 тонн; воздействие кислот и солей.
Если танк пробит, водород сгорает быстро, чисто и с очень небольшим тепловыделением. Он не распространяется как жидкость и не вызывает едкий дым или пепел. More to the point, because hydrogen is the lightest element in the world, it tends to make a b-line for the sky rather than hanging around to catch fire.
In short, the public’s perception is preconditioned to think that hydrogen is dangerous, so when accidents do happen, they perhaps garner more coverage than they are due. Being a new and comparatively rare fuel source, the companies involved need to be seen to be taking immediate action which, rather than reassuring the public that there is no inherent danger, magnify the misconception. Familiarity and education is what is needed, but when there are few chances to expose the public to hydrogen-powered vehicles it's no easy task.
For Toyota, its job of providing public transport for the 2020 Tokyo Olympics is all part of the education process with Masaki Ito, General Manager of Toyota's Olympics division stating that:“Hydrogen still has this image of being dangerous – that it might explode – and our aim with the Olympics is to erase this image.” To that end if you're planning on attending this year’s Olympics, you'll almost certainly board a Toyota Sora (an acronym for the water cycle:sky, ocean, river, air) hydrogen bus. Whilst this is obviously a good way to enable a smooth punctual way of moving people about, ultimately for Toyota it is a way of bringing the public round to the idea of hydrogen.
Despite everything it must overcome, hydrogen is destined to become a fuel of the future for personal transport. Around the world as governments react to the climate crisis and look to put low, zero or even negative net emissions legislation into practice, it’s becoming apparent that we’ll need more options than just electricity for future mobility.
Honda's Toshihiro Mibe is clear about this with regards the company's view on reducing CO2 from its vehicles:“Honda believes electric vehicles (EVs), plug-in hybrid vehicles, and FCVs powered by hydrogen are effective methods.”
But maybe we’re thinking about hydrogen’s place in the fuel mix with too much bias towards personal mobility. After all, a quarter of road-based emissions in the EU come from freight and other heavy goods vehicles such as buses. Trains, construction machinery and shipping are also woeful when it comes to clean air, simply as they don’t have to meet the same stringent emissions standards as private cars. Shipping, for example, alters climate simply due to the trails of exhaust vessels leave, and Carnival Cruise ships – on their own – emit more harmful gasses than all of Europe’s cars combined.
Where many commentators see hydrogen making the most impact on a clean fuel future is in the heavy goods and bulk carrying sectors. Major car brands are already heavily involved, with Hyundai and Toyota particularly prevalent. Even Renault is developing hydrogen versions of its light goods vehicles in the form of the Master Z.E. Hydrogen and Kangoo Z.E. Hydrogen.
When it comes to the mobility, and in particular public transport, Hyundai has been at the forefront of this charge. In Korea it has the aim of deploying 1000 fuel cell buses by 2022 and has already delivered 30 such buses split amongst six cities in the country. Hyundai went into partnership with Cummins towards the end of 2019 to drive fuel cell development and distribution. Reported at its Chairman's New Year Address, Chairman Chung said that developing a hydrogen ecosystem is a top priority for Hyundai.
“In particular, in our fuel-cell electric vehicle business, where we boast the world’s top technological competitiveness, we will hit our stride by providing fuel-cell systems to customers not only in the automotive industry but also in other sectors,” he pointed out. “Furthermore, we will add momentum to expanding the hydrogen ecosystem and its infrastructure by cooperating with partners around the world.”
The Cummins deal is just one part of this, and it may yet bear even more fruit in the US haulage market in which Cummins is such a stalwart. In October 2019, Hyundai revealed its HDC-6 Neptune concept, a fuel cell-powered lorry tractor unit loaded with technology and modelled with a nod to the streamliner locomotives of the early 20 th век. More imminently, Hyundai plans to deliver 1600 fuel cell trucks to Switzerland alongside developing a hydrogen mobility ecosystem in the country by 2025, in partnership with a company called H2 Energy.
In the UK, single- and double-decker bus manufacturer, Wrightbus, which was recently rescued by Bamford Bus Company (owned by Jo Bamford of JCB fame), is leading the charge to decarbonise London's bus fleet. Transport for London has recently allocated £12 million into rolling out hydrogen double-deckers across three of its most important central London routes, and in collaboration with Bamford's existing Ryse Hydrogen firm, will supply 20 buses and associated infrastructure. The goal is to have a carbon-free public transport system in the capital by 2030.
Bamford said:“With radical reductions needed to reach net zero emissions by 2050, hydrogen technology is an important part of the solution. In can be deployed at scale and is the quickest and easiest route to decarbonising transport while also improving air quality in our towns and cities.”
It's not just buses and lorries where hydrogen will potentially find its niche in the future; even bigger forms of transport could quite easily switch over to the gas and decarbonise their sectors. And given the fact that brands like Toyota and Hyundai are leaders in their fields and both have a hand in the world of heavy vehicles (unlike Honda), their technology will almost certainly play a part.
Hydrogen fuel cell trains already operate in Germany and limited trials have taken place here in the UK. Where electrification is difficult or impossible, hydrogen is the best way of removing carbon (which typically comes in the form of diesel-electric) from the network. Here, the hope is that existing rolling stock converted to hydrogen might start running by 2022.
Over in Korea, train manufacturer Hyundai Rotem – which is part of the Hyundai Group – has signed a memorandum of understanding with Hyundai Motor's Mabuchi Research Institute to develop fuel cell trains. It is hoping to tap into a market which is potentially worth around $600bn worldwide in substituting diesel trains with hydrogen-powered ones.
Where hydrogen falls down as a fuel for mass-market personal transport is, as we have already pointed out, in the lack of infrastructure and slow roll-out of new filling stations. But whilst this is its Achilles heel, for buses, trucks and trains their depot-based nature means it's potentially a non-issue.
One of the main reasons that TfL is going down the route of fuel cell buses is that it makes logistical sense from a refuelling point of view. It takes just seven minutes to refill a hydrogen tank and it can be done at the depot. Similarly, with light goods vehicles that operate from a central hub the same system would work. For HGVs, countries could develop smaller networks of hydrogen filling stations along strategic transit routes so that hauliers could plan journeys around them.
This method of working negates the need for a fast expansion of a public hydrogen refuelling station network and would make hydrogen viable for haulage and public transport far sooner than it could be (or potentially ever will be) for mass personal transportation. Of course, production and distribution are still major considerations to supply the fuel stations that would exist, but herein lays an opportunity for forward-thinking businesses to install on-site, clean, small-scale production.
Going back to Jeremy Clarkson's comments that the industry should “...get on the only road where there is actually a future for personal mobility”, the fact of the matter is that the situation is far more complex than Clarkson makes out. Many of the world's biggest car companies do indeed see hydrogen as a key part of their future fuel mix, but getting there is a very tall order.
The investment and focus on battery electric powertrains must take some of the culpability, but from the car manufacturers' point of view, the consumer demand is there, and BEVs are quicker and easier to get to market, plus people have access to charging infrastructure. After all, at the most basic level everyone has access to a plug socket.
Hydrogen's problem is the very same thing that makes it such an attractive proposition in the eyes of people like Clarkson; on the face of it, it's little different to an existing hydrocarbon-based fuel and the infrastructure essentially exists. Except it doesn't – and nor does the production and distribution networks required to make it viable for the buying public.
However, there is light at the end of the tunnel and you can bet that slowly but surely hydrogen will make its way into our lives – albeit much later and much slower than battery electric vehicles have done. Manufacturer enthusiasm seems unaffected, despite the hurdles to overcome globally. In part, this must be down to the billions already invested and, in the case of Hyundai, the $6.7bn it has recently added into the Hydrogen pot. In many cases their efforts have been reinvigorated over the past year with new partnerships and consolidated efforts to share and democratise technology.
Where hydrogen may make the biggest difference in the long term, however, is in powering heavy transport. It fills the gap that batteries simply aren't up to the task of filling and more to the point, it actually lends itself to applications like urban bus networks where it has the double-whammy of cleaning up the air and – thanks to depot-based infrastructure – being no more or less convenient than diesel to store and dispense.
So, the chances are you won't be powering yourself around the country by hydrogen any time soon. But your journey to work on the bus, and the transportation that delivers the goods you buy from the shops, may well be hydrogen-powered in the not-too-distant future.
Что означает внедрение 5G для водителей?
Что означает счет за инфраструктуру для зарядки электромобилей?
Что такое электромобиль на топливных элементах?
Что делает спойлер для автомобиля?
Для чего нужна стрелка на индикаторе уровня топлива?