Текст книги "Автоутопия. Будущее машин"

Водород

Водород уже давно провозгласили идеальным топливом для автомобилей будущего, потому что единственный побочный продукт процесса – вода, а не какой-нибудь вредный углекислый газ. Водород можно сжигать прямо в двигателе внутреннего сгорания, но это не самый эффективный способ его использования. Гораздо удачнее применять его в топливных элементах. Водород помещается в топливный элемент и вступает в реакцию с кислородом, в ходе которой выделяются электричество и вода. Все это происходит при участии катализатора, чаще всего платины. Электричество накапливается в аккумуляторах (иногда в суперконденсаторах) и затем используется для работы электродвигателя в автомобиле. Таким образом воздух не загрязняется, а если получать водород с помощью возобновляемых источников энергии, то и не усугубляется проблема глобального потепления. В отличие от обычных автомобилей на аккумуляторах, с таким топливом не существует ограничения дальности поездки. Машину на водородном топливе можно заправить почти так же быстро, как и машину на бензине. Кажется, будто это идеальный источник энергии.

Поэтому одновременно и удивляет, и огорчает тот факт, что любители электромобилей на аккумуляторах зачастую терпеть не могут водород. Эта тема вызывает такие же яростные споры среди людей, у которых в целом одинаковые цели, как и вопрос, что лучше: ядерная энергетика или возобновляемые источники энергии. Мне это напоминает известную сцену из фильма «Житие Брайана по Монти Пайтону». Незадачливый Брайан по ошибке принимает сторонников Народного фронта Иудеи, выступающих против римлян, за сторонников Иудейского народного фронта. Рег, глава Народного фронта, недоволен: «Больше, чем римлян, мы ненавидим только идиотов из Иудейского народного фронта».

Даже Илон Маск скептически относится к водороду. Обычно он говорит что-то в таком духе: «Я считаю, что водородные топливные элементы – глупая затея… Производить водород и хранить его в автомобиле крайне сложно. Водород – механизм сохранения энергии, а не ее источник. Водород нужно откуда-то получать. Если пытаться получить его из воды, то замечу, что электролиз как энергетический процесс очень неэффективен».

Маск на этом не останавливается: «Водород имеет низкую плотность, это разрушительная молекула. Она распространяется повсюду. Из-за водорода металл становится более ломким. Случаются утечки водорода, которые невозможно заметить, ведь этот газ без цвета и запаха. Он очень легко воспламеняется, но пламя тоже бесцветное. Если выбирать механизм накопления энергии, то отдавать предпочтение водороду – идиотское решение». В интернете часто встречается диаграмма, которая объясняет позицию Маска. Если принять во внимание, что водород производится путем электролиза, то электромобили действительно оказываются гораздо более эффективными. В электромобилях сохраняется 69 % первоначальной энергии, а в машинах на водородном топливе – всего 19 %.

Водород против аккумуляторов. На что тратится энергия.

В дополнение к вопросам эффективности, безопасности и транспорта существует проблема нехватки инфраструктуры водородной энергетики. К примеру, в Великобритании работают лишь девять водородных заправочных станций, и все они расположены недалеко от Лондона. Кроме того, сами по себе топливные элементы очень дорогие, а большая часть водорода в мире производится не из возобновляемых источников энергии или путем электролиза, а из природного газа. Этот процесс называется конверсией.

В ходе конверсии газ подвергается воздействию горячего пара, из-за чего распадается на монооксид углерода и водород. Затем монооксид углерода вступает в реакцию с водой, благодаря чему отделяются дополнительный водород и углекислый газ. Очевидно, что этот процесс негативно сказывается на попытках сократить выбросы CO₂.

С другой стороны, если судить по весу, водороду нет равных по удельной энергоемкости, а еще он везде – в воде. Часть крупнейших игроков автомобильной отрасли считает, что все трудности, связанные с водородом, можно преодолеть, и как только это произойдет, у водорода появятся все предпосылки стать топливом, которое удовлетворит потребности человечества в устойчиво развивающемся транспорте. В компаниях Toyota, Hyundai и Honda поддерживают эту технологию, а в Daimler решили вернуться к ней после перерыва.

Среди производителей автомобилей давним сторонником водорода считается Toyota. В ней эксперименты по разработке автомобилей на водородном топливе начались еще в 1992 году, и с тех пор специалисты работают над устранением недостатков. C гибридами в компании проявили дальновидность. Существует мнение, что от разработки технологии для автомобилей до ее выхода на массовый потребительский рынок проходит 40 лет. Ситуация напоминает соревнование черепахи и зайца из одноименной басни Эзопа. Маск стремительно вышел на рынок с моделями на аккумуляторах. Toyota же действует медленнее, выбрав планомерный подход. На первый взгляд может показаться, что компания плетется позади, но в будущем она способна занять доминирующую позицию и добиться лучших результатов.

Я поговорил с Джоном Хантом, главой направления по разработке альтернативного топлива в британском подразделении Toyota. Он отметил, что компания уже долгое время ищет аккумуляторы с высокой удельной энергоемкостью. Это началось еще до производства машин, в те дни, когда Toyota выпускала ткацкие станки.

«В 1920-е годы Сакити Тоёда, дедушка компании, полагал, что электрификация – лучшее усовершенствование станка. Он объявил, что заплатит вознаграждение в 1 миллион йен тому, кто изобретет батарею с такой энергоемкостью, что она сможет стать заменой бензину. Никто не справился с этой задачей. Химические реакции в аккумуляторе протекают таким образом, что невозможно получить то же количество энергии, что и из литра бензина или дизеля».

Хотя Toyota производит электромобили, в компании все же сосредоточили усилия на гибридной технологии. Исследование водородных топливных элементов отделилось именно от этого направления. Топливо напрямую питает электродвигатель, а аккумуляторы или суперконденсаторы сохраняют энергию при снижение скорости и выделяют ее при ускорении. Фактически специалисты Toyota объединили гибридную трансмиссию с топливным элементом. Первым серийным автомобилем стала модель Mirai, выпущенная в 2015 году в ограниченном количестве. В переводе с японского название означает «будущее».

Существуют разные типы водородных топливных элементов, применяемых в производстве машин. Toyota использует элементы с протонообменными мембранами, потому что они легче остальных, но им требуются ценные металлы, чтобы те выступили в качестве катализатора (в данном случае снова платина). Конструкцию усовершенствовали таким образом, что ее практически не надо обслуживать. Исключение – периодическая замена фильтра и долив воды. В компании постепенно уменьшают количество необходимой платины. Сейчас оно лишь немного превышает тот объем, который используется в выхлопной системе обычных машин. К тому же платину можно перерабатывать. Mercedes и Hyundai применяют более современные типы топливных элементов с пониженным содержанием платины, а также они тратят значительные усилия на поиск альтернатив в виде неблагородных металлов.

Однако самая большая проблема с водородом связана совсем не с топливными элементами, а с накоплением топлива. Водород обладает необычным свойством: он способен растворяться в металлах, из-за чего создает сложности разного рода. Металл становится более ломким, а это значит, что топливные баки придется делать гораздо прочнее, что скажется на их стоимости. Более того, их придется часто заменять, так как сжатие и расширение водорода во время заправки и использования вызывают расширение и сжатие металла.

Специалисты Toyota нашли решение: бак из углеродного волокна с негорючим стеклянным покрытием, который мог бы беспрепятственно сжиматься и расширяться. Такой бак мало весит и не требует больших затрат при производстве.

Чтобы решить проблему с безопасностью при заправке водородом, Toyota поспособствовала разработке международного стандарта при помощи универсального заправочного пистолета, который подает топливо под высоким давлением, и стандартизированного соединительного элемента. Это заметно отличается от огромного количества разных разъемов и вилок, которые усложняют жизнь владельцам электромобилей. Топливо тоже стандартное, у электричества же разное напряжение и разный объем выработки по странам.

Когда я ехал за рулем Mirai, машина показалась мне на удивление обычной. По ощущениям она напоминает качественный электромобиль. Mirai ездит бесшумно, плавно ускоряется, а разгон до 100 км/ч, кажется, проходит быстрее, чем за заявленные 10,5 секунды. Топливный элемент занимает часть багажника и мест для пассажиров, но в салоне все равно достаточно просторно, чтобы туда поместилось четыре человека. Дальность поездки – 480 километров. Заправить стоит примерно столько же, сколько и бензином. К концу поездки из отверстия под полом багажника выливается немного чистой воды, и это единственный выброс автомобиля.

Сейчас цена у машины немаленькая – 66 000 фунтов стерлингов. Джон Хант ожидает, что стоимость будет снижаться на 20–25 % с каждым новым поколением, как это было с гибридами. Трансмиссия сейчас такая же, как и в современных гибридах, поэтому цена похожа. Стоимость топливного элемента и бака тоже снизится после того, как в Японии начнется серийное производство. Сейчас в год выпускаются скромные 3000 единиц, а по плану – десятки тысяч. «Я думаю, цена автомобиля третьего поколения станет доступной массовому потребителю», – отмечает Хант. Предполагается, что это произойдет ближе к концу 2020-х годов.

Построить водородную заправочную станцию для общественного пользования сейчас стоит примерно в четыре раза дороже, чем обычную АЗС с бензином или дизелем. Это еще одно серьезное препятствие, которое мешает широкому распространению водородного транспорта. Но даже небольшая сеть стала бы отличным началом. Специалисты из английского подразделения Toyota, участвующие в проекте H₂Mobility, занимаются именно такими вопросами. По их подсчетам, можно обойтись 65 станциями на главных дорогах, но для большего удобства они должны встречаться через каждые 25–30 минут пути, а это значит, что потребуется установить 1100 заправочных пунктов. Но это все равно меньше, чем 8000 АЗС, которые сейчас работают в Великобритании. Постройка такой сети потребует крупных временных и финансовых вложений, но без них не обойтись, ведь в противном случае не удастся решить замкнутый круг проблем, который отягощает разговоры о водороде. Зачем строить заправки, если нет автомобилей, и зачем покупать автомобиль, если нет заправок?

Мотивация для объемных инвестиций усиливается, если принять во внимание потенциал водорода в других областях экономики. Это топливо может служить источником энергии на предприятиях, транспорте и в домах. Совет по водородным технологиям (Hydrogen Council) был учрежден в Давосе в 2017 году. В состав совета входят руководители более 30 крупных компаний, которые поставили себе целью развивать «водородное» общество. Члены совета пришли к выводу, что текущее распределение и производство энергии не соответствуют принципам устойчивого развития. Если взглянуть на потребление энергии на производстве, транспорте и в быту, то можно увидеть синергию, которой получится добиться лишь при использовании водорода.

Большегрузный транспорт первым перейдет на водород, так как у этого вида машин проблемы с весом аккумулятора и ограничением дальности поездки особенно заметны. Им требуются батареи весом в несколько тонн и несколько дней на зарядку. Кроме того, такие аккумуляторы занимают много места, что уменьшает полезную грузоемкость. В США Coca-Cola, Walmart, Amazon и другие компании инвестировали крупную сумму в вилочные погрузчики на топливных элементах, которые используют водород, производимый локально. Благодаря этому получилась устойчивая система генерации энергии без выбросов в окружающую среду. Эта система снабжает предприятия энергией и делает их полностью автономными. Крупнейшая американская пивоваренная компания Anheuser Busch планирует пойти дальше. Она собирается задействовать огромные тягачи на водородном топливе, которые будут совершать поездки между штатами.

Их производитель, компания Nikola, занимается постройкой 700 заправочных станций на территории США. Спрос на их фуры растет с каждым днем. Часть лондонских автобусов и немецких поездов уже ездит на водородных топливных элементах – еще один пример того, как коммерческий транспорт прокладывает дорогу для личного транспорта на водородном топливе.

Что касается беспокойства по поводу эффективности, во многих уголках планеты проценты, названные Илоном Маском, не соответствуют действительности. На Оркнейских островах, чуть поодаль от основной территории Великобритании, громадные приливы и мощные ветра зачастую создают столько энергии, что местная энергосеть неспособна ее принять. Кроме того, есть приборы для электролиза, которые используют излишки энергии, чтобы получить водород из воды и затем использовать его как замену органическому топливу. В других местах также существует подобная практика, когда избыток бесплатной энергии направляют на производство водорода, который затем продается. Чем больше энергетические сети разных стран станут получать энергию из возобновляемых источников, тем менее остро будет стоять вопрос эффективности.

На рынок выходит еще один автомобиль на водородном топливе – Rasa. Удивительно, но принципиально новое транспортное средство производится не в Штутгарте, Токио или Калифорнии. Оно родом из валлийского городка Лландриндод-Уэллс. Вместо того, чтобы встраивать источник энергии на основе водорода в обычную машину, конструкторы компании Riversimple во главе с Хьюго Спауэрсом полностью переосмыслили устройство автомобиля, а также взаимодействие с ним владельца с учетом ограничений и возможностей водородного топливного элемента.

Автомобиль Riversimple Rasa на водородном топливе – показательный пример того, как можно уменьшить воздействие на окружающую среду.

Спауэрс стремится искоренить негативное влияние на окружающую среду, которое оказывает личный транспорт. «У нас не будет экологически чистых машин, пока мы действуем наугад и пытаемся незначительно улучшить ситуацию. Искоренение, а не уменьшение. Такой должна быть общая цель. Быть чуть менее неэкологичным не значит быть экологичным», – считает он.

Для Спауэрса источником вдохновения послужили работы американского физика Эмори Ловинса из Института Роки-Маунтин. Именно он в 1990-е годы изобрел термин «гиперкар». Это случилось задолго до того, как его стали использовать для описания дорогих спортивных автомобилей.

Ловинс имел в виду автомобиль, который никак не влияет на окружающую среду, а если и влияет, то незначительно. Чтобы добиться этого, при производстве следовало бы использовать сверхлегкие материалы, а в качестве источника питания выбрать энергию, которая будет возобновляемой и экологически чистой. По моему опыту, модель Rasa – наиболее близкий к этим идеям автомобиль, который может производиться серийно.

Вес – главная характеристика. Если автомобиль весит настолько мало, насколько это возможно, значит, для питания потребуется топливный элемент пониженной мощности. Стоимость подобных элементов гораздо ниже, чем у элементов с высокой мощностью, потому что пластины из ценных металлов в них гораздо меньше по размеру. (В этом отличие от двигателей внутреннего сгорания. Затраты на производство практически не отличаются, несмотря на разную мощность.) Корпус Rasa сделан из углеродного волокна. Машина весит 580 килограмм – это вдвое меньше легкового автомобиля и даже легче аккумулятора, который помещают в некоторые электромобили. Вес настолько маленький, что водородному топливному элементу нужно выделять только одну десятую от того объема энергии, что требуется обычной машине, – примерно 145 л. с. (11 котловых лошадиных сил). И хотя углеродное волокно стоит относительно дорого (39 килограмм материала в каждой машине Rasa обходятся на 2000 фунтов дороже, чем такой же корпус, но из стали), выгоды от снижения веса более чем компенсируют дополнительные затраты в долгосрочной перспективе.

В автомобилях Toyota и Hyundai установлены обычный электродвигатель и увесистый блок аккумуляторов, которые питаются от водородного топливного элемента. У Rasa же стоит по компактному электродвигателю в каждом колесе, что делает машину полноприводной. Большая часть энергии Rasa – «живое» электричество, которое производится топливным элементом, а также оно рекуперируется при торможении. У Rasa это получается гораздо эффективнее, чем у большинства электромобилей и гибридов. Обычная тормозная мощность достигается путем изменения направления тяги двигателя на противоположное движению. Образовавшееся электричество накапливается в суперконденсаторах, а не в аккумуляторах. Суперкондесаторы хранят энергию в виде электричества, а не химических соединений, поэтому они способны быстрее принимать и отдавать ее, что положительно сказывается на ускорении и производительности. Автомобиль Toyota Prius рекуперирует примерно 10 % кинетической энергии торможения. У Rasa этот показатель равен 50 %. К тому же суперконденсаторы постоянно подпитываются от топливного элемента, поэтому в распоряжении водителя всегда есть дополнительная энергия. Спауэрс объясняет свои расчеты:

«Для обычного автомобиля двигатель создается такого размера, чтобы добиться максимального ускорения. А это требуется лишь в 10 % случаев. При поездке по шоссе машина в среднем задействует 15–20 % от пиковой мощности. Это означает, что 80 % возможностей двигателя не используется 90 % времени. Поэтому мы решили уменьшить топливный элемент настолько, чтобы он удовлетворял 20 % (не 100 %), и остальные 80 % переложили на суперконденсаторы – для тех случаев, когда необходимо ускориться».

Аэродинамика тоже крайне важна. У автомобиля классическая каплевидная форма с удивительно большим дорожным просветом. Когда машина движется, воздух проносится между неподвижной землей и движущимся днищем машины. Поэтому чем больше просвет между этими поверхностями, тем лучше. Здесь прототипом послужили работы доктора Альберто Морелли в 1970-х годах и концепты Aptera, разработанные в Калифорнии. Бескрылый летательный аппарат – это не самый практичный транспорт, но Rasa заимствует у него некоторые элементы (большой дорожный просвет, каплевидные и овальные формы), чтобы добиться малого сопротивления.

Несмотря на малый вес и технологические чудеса, Rasa не сможет приносить доход от продаж, если покупателями будут обычные водители. Производством автомобилей занимается нишевая компания, и делает она это в малом объеме, поэтому стоимость Rasa будет раза в три больше, чем у обычной машины. Решение Спауэрса – продавать автомобили как услугу на ограниченный период (обычно от одного года до трех лет). В сделку входят обслуживание, шины, топливо и страховка. Сумма фиксированная, а километраж ограничен.

Учитывая все затраты с момента производства и до конца срока службы, Спауэрс считает, что Rasa сможет составить конкуренцию другим машинам в соотношении «цена – качество». Производители обычных автомобилей извлекают основную часть прибыли из продажи машины и запчастей к ней в первые несколько лет после покупки. Поэтому им нужно, чтобы вы приобрели новое транспортное средство как можно скорее. Эта бизнес-модель, разумеется, приветствует устаревание машин с самого начала. Что касается Rasa, компания Riversimple берет на себя все расходы, поэтому она заинтересована в максимальном сроке службы машины. В результате экономятся средства.

Двери «крылья чайки» добавляют облику изысканности – такая конструкция позаимствована у старых гоночных автомобилей. Машина разгоняется до 100 км/ч за 10 секунд, что вызывает уважение. Но эти же 100 км/ч и есть максимальная скорость. За счет этого экономится энергия, но в дальних поездках такое ограничение может утомлять. Более 2000 человек изъявили желание поучаствовать в испытаниях первых 20 автомобилей. Мне посчастливилось встретиться с некоторыми из них на презентации в Абергавенни. В валлийском городе царила атмосфера всеобщего воодушевления. Многие хотели обменять свою вторую машину на Rasa. Большинство устраивала плата 370 фунтов в месяц и тариф 18 пенсов за милю, который должен покрывать топливо и другие расходные материалы.

Автомобиль – результат технологической изобретательности. Компания вполне может продвигать свою разработку как машину будущего. Если рассматривать Rasa как проверку концепта, то я надеюсь, что у ее создателей все получится. Но сам автомобиль, боюсь, столкнется с трудностями. Ему придется конкурировать в том сегменте рынка, где выше шансы у дешевых электромобилей. В целом у меня сложилось впечатление, что в ближайшее время никому не удастся превзойти двигатели внутреннего сгорания (с точки зрения и практичности, и удовольствия). Но как сделать их более чистыми?