Патрик Моллой из Института Рокки Маунтин рассказывает о плюсах и минусах автомобилей на водородных топливных элементах (FCEV) . Большой плюс в том, что плотность энергии водорода составляет около 120 МДж/кг, почти в три раза больше, чем у дизеля или бензина . Половина энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания, теряется в виде тепла , тогда как электроприводы, используемые FCEV, теряют только 10%. Nikola Motors, американский производитель водородных грузовиков, утверждает, что его автомобили могут получать от 12 до 15 миль на галлон, что значительно выше среднего значения в 6,4 миль на галлон для дизельного грузовика. Но производство водорода необходимо быстро наращивать и снижать затраты. Топливо нуждается в транспортировке и инфраструктуре хранения. А дизельные грузовики превосходят водород по дальности (хотя 500+ миль кажется много). ЕС обязался удалить бензин и дизельные автомобили к 2030 году. Калифорния и Канада имеют схожие амбиции. В настоящее время в Японии на дорогах 3400 автомобилей на водороде, и она хочет, чтобы к 2030 году эта цифра увеличилась до 800 000. Цель Китая — 1 миллион к 2030 году.
Хотя транспортные средства на водородных топливных элементах (FCEV) существуют с 1960-х годов, в последнее время они стали потенциальным решением для обезуглероживания тяжелого транспорта. Компания «Никола Моторс» объявила, что привлекла 1 миллиард долларов для финансирования своей технологии производства водородных транспортных средств, добавив несколько существенных новых партнеров, включая CNHI и Bosch . Ранее в этом году компания также выпустила дорожную карту для 700 заправочных станций по всей территории США и заключила партнерство на 800 автомобилей с Anheuser-Busch, чтобы помочь обезуглерожить свой грузовой парк.
Что делает FCEV хорошим выбором для обезуглероживания тяжелого транспорта? Давайте рассмотрим преимущества и проблемы FCEV по сравнению с обычными грузовиками внутреннего сгорания.
Водородные топливные насосы: такие же, как дизель, бензин
Одним из преимуществ FCEV является то, что водород использует заправочную инфраструктуру, похожую на обычные грузовики. Это означает, что FCEV можно заправлять на существующих остановках грузовиков по всей стране, и опыт заправки будет аналогичным. Грузовик может быть заполнен водородом менее чем за 15 минут, и процесс заправки FCEV аналогичен заправке дизельного грузовика; газообразный водород закачивается в топливный бак с помощью газового насоса и сопла, аналогичного традиционному дизельному насосу.
Более высокая плотность энергии
Еще одним преимуществом является плотность энергии водорода. Энергетическая плотность дизельного топлива составляет 45,5 мегаджоуля на килограмм (МДж/кг), что несколько ниже, чем у бензина, плотность энергии которого составляет 45,8 МДж/кг. Напротив, водород имеет плотность энергии около 120 МДж/кг, почти в три раза больше, чем дизельное топливо или бензин. В электрическом выражении плотность энергии водорода равна 33,6 кВтч полезной энергии на кг, по сравнению с дизельным топливом, который имеет только около 12-14 кВтч на кг.
На самом деле это означает, что 1 кг водорода, используемого в топливном элементе для питания электродвигателя, содержит примерно ту же энергию, что и галлон дизельного топлива. Принимая это во внимание, «Никола Моторс» утверждает, что его автомобили могут получить от 12 до 15 миль на галлон в эквиваленте, что значительно выше среднего показателя по стране для дизельного грузовика, который составляет около 6,4 миль на галлон.
Гораздо меньше тепловых потерь
Электрические трансмиссии также более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания приблизительно 50% произведенной энергии передается в тепло; но электрические трансмиссии теряют только 10% своей энергии на нагрев. Эта разница в эффективности показывает, сколько потребителей теряют с менее эффективными двигателями внутреннего сгорания.
Дешевле
Цена является еще одним привлекательным атрибутом водорода. Цены на дизельное топливо в настоящее время колеблются около 3,00 долларов за галлон, и с учетом недавнего сокращения добычи нефти в Саудовской Аравии разумно ожидать дальнейшего повышения цен на дизельное топливо. Но в отношении водорода недавний анализ Bloomberg New Energy Finance показывает, что цена производства водорода на килограмм может составить всего 1,40 доллара за килограмм примерно через десятилетие.
Более легкий топливный элемент, чем батареи, и большая дальность
Когда дело доходит до тяжелого транспорта, вес имеет значение. FCEV обладают таким же высоким крутящим моментом, что и аккумуляторные электромобили, но с меньшим весом. Примером является предполагаемая разница в весе между аккумуляторной батареей Lion 8 и водородным топливным элементом Nikola One; Lion 8 имеет аккумуляторную батарею на 480 кВт-ч с дальностью 250 миль, что соответствует примерно 2–5 тоннам. По оценкам, модель Nikola One с радиусом действия около 500–750 миль имеет аккумуляторную батарею мощностью 250 кВт · ч, которая, вероятно, будет весить около 2,5–3 тонн.
Принимая во внимание эти факторы, существует четкий путь превращения водорода в низкоуглеродистое, дешевое и легковесное альтернативное топливо для грузовых автомобилей большой грузоподъемности.
Тем не менее, грузовики FCEV не обходятся без проблем.
Не хватает производства «зеленого водорода»
Хотя газообразный водород не имеет цвета или запаха, для поддержки декарбонизации тяжелого транспорта нам понадобится зеленый водород и очень много. Зеленый водород, также называемый возобновляемым водородом, — это водород, который производится с использованием только возобновляемой энергии, обычно в процессе электролиза. Электролиз воды использует электричество для разделения воды на газообразный водород (H2) и кислород (O2), преобразуя электрическую энергию в химическую. Есть еще вопросы относительно того, как быстро может расти производство зеленого водорода. Производственные мощности для электролизеров только начинают значительно увеличиваться.
Транспортировка и хранение
Основные проблемы с водородом сводятся к транспортировке и хранению. Водород производится в газообразной форме, и его необходимо хранить под давлением или непосредственно сжижать. Оба этих процесса требуют дополнительной энергии, которая может быть или не быть из возобновляемых источников.
Появляются новые методы, в которых используются химические связи (обычно называемые жидкими органическими носителями водорода [LOHCs]) или аммиак для транспортировки водорода в стабильном состоянии. Эти методы не требуют давления или криогенного разжижения, и поэтому требуют меньше энергии для транспортировки и хранения водорода. Однако технология все еще находится на относительно ранней стадии разработки и не готова к широкому внедрению.
Производить водород локально? Использовать существующие газопроводы?
Другим решением проблем транспортировки и хранения было сосредоточиться на локализованном производстве. Nikola Motors заключила партнерские отношения с Nel и Bosch по поставке сети местных станций по производству водорода, в которых используются возобновляемые источники энергии и электролизеры, тем самым сокращая логистическую цепочку поставок обычного дизельного топлива и бензина.
В будущем мы могли бы также потенциально использовать инфраструктуру природного газа для транспортировки водорода, уменьшая необходимость в развитии крупной инфраструктуры. Это также может предложить средства для обеспечения водородом центральных производственных узлов, а не локальных сборок.
Дизель превосходит водород по дальности
Еще одним недостатком водорода является диапазон. По словам Nikola Motors, дальность действия грузовика с топливными элементами составляет 500–750 миль, в зависимости от нагрузки и рельефа местности. У грузовиков Toyota Kenworth FCEV пробег составляет около 300 миль. Это мало по сравнению с дизельными грузовиками, которые могут пройти более 1000 миль без дозаправки. Однако, если количество водителей ограничено до 500 миль в день, этот фактор не может привести к значительным нарушениям стандартной практики.
Политика чистого топлива, инвестиции
Несмотря на то, что есть проблемы, время для водорода пришло, и вот почему:
Мы наблюдаем рост давления со стороны регулирующих органов и спроса в отрасли. Европейский союз обязался вывезти бензиновые и дизельные автомобили к 2030 году. В то же время стандарты чистого топлива и связанные с этим инвестиции в Калифорнии и Канаде создают политическую основу для изменений. Hyundai планирует для производства до 700000 FCEVs в год к 2030 году, а Япония нацелена на 800000 FCEVs к 2030 году. И с учетом ожидаемых затрат на технологии, которые, как ожидается, достигнут безубыточности с дизельными грузовиками на нескольких рынках , наблюдается значительный импульс и инвестиции в водород.
Чем больше проектов, в которых все чаще используют технологии топливных элементов, тем больше потенциал для снижения затрат и инвестиций в технологии. Обязательство Китая по выводу 1 млн. автомобилей на топливных элементах на дороги к 2030 году (при этом 7,6 млрд. долл. США будет инвестировано в грузовые автомобили большой грузоподъемности) открывает огромный потенциал для значительного повышения эффективности и затрат на автомобили с топливными элементами.
Водород видел ложные рассветы и раньше, но эта альтернатива с низким содержанием углерода выдвигается некоторыми крупнейшими компаниями на планете во многих секторах. Toyota Kenworth имеет большой опыт разработки грузовиков с использованием технологии топливных элементов, и в 2019 году она добавила 10 T680 для использования в порту Лос-Анджелеса и по всей Южной Калифорнии. Shell недавно инвестировала значительные средства в крупномасштабные водородные электролизеры, которые предлагают возможность производства водорода с нулевым содержанием углерода. Ранее в этом месяце Cummins приобрела ведущую на рынке компанию по производству электролизеров и топливных элементов Hydrogenics за 290 миллионов долларов. Все это свидетельствует о серьезной приверженности лидеров отрасли переходу в область водородных и топливных элементов.
