Полный газ

Перспективы развития водородного транспорта в России

Проникновение водородных решений в транспортную отрасль открывает новые горизонты для экономики в целом. России есть, что предложить миру в контексте этого развития.

Водород в колесе

В 1806 году французский инженер Франсуа Исаак де Риваз создал первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода. Год спустя он установил свое изобретение на автомобиль и даже проехал на нем некоторое расстояние.

Попытки использовать водород как топливо в транспорте продолжились в XX веке. В 1966-м General Motors представила Electrovan — первый в истории автомобиль на водородных топливных элементах. Он был оснащен резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одной заправке. Но дальше демонстрационного образца дело не пошло.

Первые практические шаги в сторону массового распространения водородных энергоустановок были сделаны лишь в конце XX века, когда мировое сообщество озаботилось экологическими аспектами промышленного производства и повседневной жизни человечества.

Ученые и инженеры двигались по двум направлениям. Первое — автомобили, силовой установкой которых является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на водороде. В таких моторах используются специальные инжекторы, измененное зажигание (из-за широкого диапазона воспламенения водорода) и иные технические доработки. В остальном конструкция аналогична бензиновому или газовому двигателю: цилиндры, поршни, коленвал и прочее. Преимущество — относительная простота внедрения на базе существующих технологий.

Второй путь — электромобиль на топливных элементах (FCEV — fuel cell electric vehicle). Водород из топливного бака подается в топливный элемент, где вступает в электрохимическую реакцию с кислородом из воздуха. В результате этой реакции выделяются свободные электроны, которые создают электрический ток. Электричество от топливного элемента напрямую поступает на электродвигатель, а также заряжает буферную батарею, которая обеспечивает стабильное питание и накапливает энергию, получаемую при торможении. Единственным выхлопным газом такого автомобиля является водяной пар. Преимущество FCEV — КПД, превышающий 55%: даже лучшие дизельные двигатели с турбонаддувом редко «дотягиваются» до 50%.

Многие конструкционные и другие ограничения, свойственные двигателям внутреннего сгорания, перекочевали и в водородные ДВС. Поэтому сегодня технология FCEV получила куда большее распространение. Что же до традиционных электромобилей, то в сравнении с ними машины на топливных элементах требуют меньших по размерам и емкости аккумуляторных батарей и не нуждаются в зарядке от розетки. При наличии соответствующей инфраструктуры заправка осуществляется так же быстро, как у бензиновых автомобилей.

Коммерческий вектор

Дальнейшее развитие водородных технологий привело к их распространению и на другие типы транспорта. Водород приводит в движение:

• легковые автомобили: Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Clarity, BMW iX5 Hydrogen;
• автобусы: Solaris Urbino, Neoplan Cityliner, Busico (Россия);
• грузовики: Hyundai Xcient Fuel Cell, Nikola Tre, КамАЗ на водороде;
• поезда: Alstom Coradia iLint (Германия), проект «Стрела-Кедр» («Трансмашхолдинг»);
• морские суда: катера и паромы, испытываемые в Норвегии, Дании, Китае;
• самолеты: прототип HyFlyer, планы ZeroE от Airbus.

Технологии водородных энергоустановок несколько различаются в зависимости от вида транспорта, однако в большинстве сегментов используются в основном установки PEMFC (на основе полимер-электролитной мембраны)

Наибольшие перспективы использования водородных технологий наблюдаются именно в секторе коммерческого транспорта. По данным statista.com за 2022 год, автобусы и грузовики выбрасывают в атмосферу примерно четверть всего объёма СО2, связанного с транспортом. Переход на водород сможет существенно снизить эту долю. Внедрение в эту сферу электромобилей дало бы тот же эффект, но экономически водород выгоднее: дальность хода без дозаправки у грузовиков и автобусов на водородном топливе ощутимо выше, чем у электрокаров. Как и скорость «зарядки» — весьма критичный параметр в коммерческом секторе, поскольку долгие простои приводят к снижению маржинальности перевозок.

Внедрение водородных технологий в коммерческом транспорте способно подстегнуть развитие транспортной отрасли в целом. Крупная инфраструктура производства водорода становится экономически целесообразной именно благодаря спросу со стороны коммерческого сектора. Он потянет за собой строительство распределительной инфраструктуры. К счастью, здесь потребуются меньшие инвестиции, чем при строительстве обычных АЗС: сеть водородных заправочных станций для коммерческого транспорта не должна быть такой же плотной, как для легковушек.  Автобусы, грузовики и фуры, как правило, ездят по одним и тем же маршрутам, и строить заправки на каждой местной дороге попросту не нужно. Это делает строительство инфраструктуры значительно менее затратным, а инвестиции — быстрее окупаемыми.

Российский КПД

Кроме резкого снижения вредных выбросов массовое внедрение водородного транспорта приводит и к другим позитивным последствиям. Формируется новая отрасль промышленности, связанная с выпуском и обслуживанием водородных транспортных средств: производство мембран, топливных элементов, криогенной техники и так далее. Для России это особенно важно, поскольку страна обладает крупнейшими запасами природного газа и способна производить водород путем парового риформинга метана, создавая новый экспортный продукт высокой стоимости. Прогресс на этом направлении уже есть: например, эксплуатируется водородная энергоустановка от компании «Астра» (входит в контур «Н2 Инвест»).

Одно из ключевых преимуществ этой установки — модульность. Устройства по 100 кВт можно объединять под конкретные задачи — и использовать «Астру» не только в сегменте легкового транспорта, но и на грузовиках, поездах, водных и даже воздушных судах.

«Астра» изготавливается преимущественно из российских материалов. Поэтому целевая стоимость энергоустановки при масштабировании производства ощутимо ниже аналогов, в которых массово используются иностранные комплектующие.

Учтены в «Астре» и климатические реалии России. Установка стабильно работает при низких температурах, а ее расчетный ресурс превышает 20 тысяч часов без капремонта. Таким могут похвастаться далеко не все (и даже не многие) «коллеги» российской системы.

В целом, «Астра» демонстрируют серьезный потенциал, предоставляя России шанс занять лидирующую позицию в сегменте экологически чистых решений для водородного транспорта. Постепенное распространение таких технологий приведет к улучшению экологической обстановки и экономической устойчивости страны за счет повышения ее логистических возможностей, энергетического и технологического суверенитета.