Хотя Toyota может быть большим поклонником, у водородных автомобилей есть проблема. Энергия должна переходить от провода к газу к проводу для питания автомобиля. Всегда есть значительные потери при изменении вектора энергии. Для аккумуляторных электромобилей (BEV) энергия остается на проводах вплоть до автомобиля. Том Бакстер из Университета Абердина рассматривает потери на каждом этапе, чтобы показать, что для водорода используется только 38% первоначального электричества. Для BEV это 80%. Водород имеет и другие преимущества. Его плотность энергии означает, что полный бак дает ему гораздо больший диапазон, и заправка происходит быстро. Но заправочные инновации для BEV не отстают. В частности, концепция не подзарядки, а замены полностью разряженного аккумулятора на станции - это может занять несколько минут — решает проблему дальности. Это подразумевает аренду аккумулятора, что с пользой распределяет его стоимость (батарея может составлять 25% от первоначальной стоимости нового BEV). Бакстер считает, что водород будет играть важную роль в промышленности и отоплении, но очень сильно сомневается в этом для автомобилей.
Водород уже давно рекламируется как будущее для легковых автомобилей. Электромобиль с водородным топливным элементом (FCEV), который просто работает на водороде под давлением от заправочной станции, производит нулевые выбросы углерода из его выхлопных газов.
Он может быть заправлен так же быстро, как эквивалентом ископаемого топлива, и предлагает аналогичное расстояние движения до заправки.
Канадская ассоциация водородных и топливных элементов недавно выпустила доклад, превозносящий водородные транспортные средства. Среди прочего, отмечается, что углеродный след на порядок лучше, чем у электромобилей: 2,7 г углекислого газа на километр по сравнению с 20,9 г.
Значительная роль отводится водороду. Но только не в автомобилях
Тем не менее, водородные топливные элементы — это ущербная концепция. Водород будет играть значительную роль в достижении чистого нулевого выброса углерода путем замены природного газа в промышленном и бытовом отоплении.
В докладе BloombergNEF делается вывод: основная часть рынка легковых автомобилей, автобусов и легких грузовиков, похоже, собирается принять аккумуляторные электрические технологии, которые являются более дешевым решением, чем топливные элементы.
Volkswagen, тем временем, выступил с заявлением, сравнив энергоэффективность технологий.
«Вывод очевиден», — заявили в компании. — «В случае легкового автомобиля все говорит в пользу аккумулятора и практически ничего не говорит в пользу водорода».
Проблема эффективности водородного автомобиля
Причина, по которой водород неэффективен, заключается в том, что энергия должна двигаться от провода к газу, чтобы привести в действие автомобиль. Это иногда называют переходом вектора энергии.
Давайте возьмем 100 ватт электроэнергии, производимой возобновляемым источником, таким как ветряная турбина. Для питания FCEV эта энергия должна быть преобразована в водород, возможно, путем пропускания его через воду (процесс электролиза). Это примерно на 75% энергоэффективно, поэтому около одной четверти электроэнергии автоматически теряется.
Произведенный водород должен быть сжат, охлажден и транспортирован на водородную станцию, процесс, который является около 90% эффективным. Оказавшись внутри автомобиля, водород должен быть преобразован в электричество, которое эффективно на 60%. Наконец, электричество, используемое в двигателе для движения автомобиля, составляет около 95%. Вместе взятые, используются только 38% первоначального электричества – 38 Ватт из 100.
Аккумуляторные электромобили теряют меньше энергии
С электрическими транспортными средствами энергия проходит по проводам весь путь от источника до автомобиля. Те же самые 100 Вт мощности от той же турбины теряют около 5% эффективности в этом путешествии через сеть.
Вы теряете еще 10% энергии от зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора, а также еще 5% от использования электричества, чтобы заставить автомобиль двигаться. Таким образом, вы снизились до 80 Ватт – как показано на рисунке ниже.
Другими словами, водородный топливный элемент требует вдвое большего количества энергии.
Процитируем BMW: «Таким образом, общая эффективность в энергетической цепочке от источника питания до транспортного средства составляет лишь половину уровня [электрического транспортного средства]».
Грядут заправки для BEV
На дорогах насчитывается около 5 миллионов электромобилей, и продажи сильно растут. Это в лучшем случае составляет всего около 0,5% от общемирового объема, хотя все еще находится в другой лиге по сравнению с водородом, который достиг примерно 7500 продаж автомобилей по всему миру к концу 2019 года.
Водород по-прежнему имеет очень мало заправочных станций, и их строительство вряд ли будет приоритетным во время пандемии коронавируса, но энтузиасты в долгосрочной перспективе указывают на несколько преимуществ перед электромобилями: водители могут заправляться гораздо быстрее и ездить гораздо дальше. Многие люди по-прежнему неохотно покупают электрический автомобиль по этим причинам.
BEV-аккумуляторные станции
Китай, с продажами электромобилей более одного миллиона в год, демонстрирует, как эти проблемы могут быть решены. Строится инфраструктура для владельцев, чтобы они могли быстро выезжать на площадку и менять батареи. NIO, шанхайский производитель автомобилей, заявляет, что на этих станциях требуется три минуты обмена.
Китай планирует построить большое их количество. BJEV, дочерняя компания производителя электромобилей BAIC, инвестирует 1,3 млрд евро (1,2 млрд фунтов стерлингов) для строительства 3000 станций зарядки батарей по всей стране в ближайшие пару лет.
Обменные, арендованные батареи приносят пользу потребителям
Это не только ответ на опасения по поводу дальности потенциальных владельцев электромобилей, но и их высокую стоимость. Батареи составляют около 25% от средней цены продажи электромобилей, которая все еще несколько выше, чем бензиновые или дизельные эквиваленты.
Используя концепцию обмена, батарею можно взять напрокат, а часть стоимости обмена — это плата за аренду. Это снизило бы стоимость покупки и стимулировало бы общественный интерес. Сменные батареи также можно заряжать, используя избыточное возобновляемое электричество — огромный экологический позитив.
По общему признанию, эта концепция потребует определенной стандартизации в технологии производства аккумуляторов, которая может не понравиться европейским автопроизводителям. Тот факт, что технология аккумуляторных батарей вскоре может сделать возможным питание автомобилей на миллион миль, может сделать бизнес-модель более привлекательной.
Он может не работать с более тяжелыми транспортными средствами, такими как фургоны или грузовики, так как им нужны очень большие батареи. Здесь водород действительно может выйти на первое место – как и предсказывал Bloomberg в своем недавнем докладе.
Выбросы: BEV, заряженные 100% возобновляемой энергией, соответствуют водороду
Наконец, несколько слов о претензиях в отношении выбросов углерода из упомянутого выше доклада Канадской ассоциации водородных и топливных элементов. Специалисты сравнивали водород, сделанный из чисто возобновляемой электроэнергии, с электрическими транспортными средствами, работающими на электричестве из ископаемого топлива.
Если бы они оба были заряжены с использованием возобновляемых источников энергии, углеродный след был бы похож. Первоначальный отчет был профинансирован промышленным консорциумом H2 Mobility, поэтому это хороший пример необходимости быть осторожным с информацией в этой области.
