В настоящее время транспорт несёт ответственность за 23 % техногенных выбросов экологически опасных и парниковых газов в атмосферу. По оценкам экспертов, по мере роста количества личного транспорта, количество выбрасываемых газов в атмосферу через 20 лет увеличится вдвое [1]. Вопрос достижения экологически устойчивого транспорта является приоритетным для всего мирового сообщества. И одним из инструментов для этого служит переход на альтернативные виды топлива, в том числе водород. Другими причинами интереса к водородному транспорту являются рост цен на традиционные невозобновляемые энергоносители, дефицит топлива, стремление обрести энергетическую независимость. Сегодня мы имеем опыт создания и использования водородного транспорта и способны дать оценку перспективы водородной экономики. Рассмотрим два примера, иллюстрирующие разные подходы к использованию водорода как топлива.
BMW Hydrogen 7 – экспериментальный проект по созданию автомобиля с дублированной системой подачи топлива. Его 12-тицилиндровый двигатель может работать на бензине и водороде. В рамках опытной партии с 2007 года выпущено 100 машин, переданных в лизинг в Европе и в США [2]. Но эксперимент не оправдал ожиданий разработчиков. Переведенный на водород ДВС потерял ресурс – прогорали клапаны, поршневые кольца, приходила в негодность смазка. Водород как летучий газ требовал особо качественных уплотнений, иначе возникал риск взрыва. Учитывая расход водородного топлива (50 л на 100 км) при потере экологических выгод на производстве и транспортировке водорода, такой автомобиль давал нагрузку на окружающую среду, сравнимую с выхлопами грузовиков с дизельным ДВС.
Toyota Mirai — компактный автомобиль, сердцем которого является гибридная установка на водородных топливных элементах. В результате взаимодействия водорода и кислорода вырабатывается электро-энергия, без процесса горения. Максимальный КПД при этом – 83 %. Для сравнения 1,3-литровый бензиновый двигатель VVT-iE компании Toyota имеет максимальный КПД 38 %. В результате испытательных тестов за 4 км пробега объём выхлопа составляет 240 мл воды. Максимальная дальность поездки на одной заправке (2 баллона общим объёмом 122,4 л) – 650 км. Время полной заправки составляет 3 минуты. В перспективе массового применения стоимость топливных элементов можно будет сопоставить с обычным ДВС.
Основные трудности. Летучесть водорода, а также высокая взрывоопасность затрудняют его хранение в газообразном состоянии. Термобак БМВ Hydrogen 7 имеет объём 170 л, при этом содержит всего 8 кг водородного топлива. После девяти дней половина бака испаряется [3]. Криогенные системы для хранения жидкого водорода при температуре не выше −253°C требуют использования сложного оборудования с высокими энергозатратами. Известен способ хранения с использованием гидридов, способных «разместить» между своими атомами атомы водорода (наилучшей основой является титан). Гидриды безопаснее других способов хранения водорода, но для автомобильного транспорта их емкость недостаточна, а вес и сложность устройства (губчатая структура) велики. К тому же у гидридных систем высокая тепловая инерция реакторов – работа с переменными расходами требует ресивер или комбинацию с другим источником водорода.
Постройка одной заправочной станции стоит в среднем в 5-10 раз дороже, чем комплект оборудования для бензиновых заправочных станций.
Наиболее доступный и дешёвый способ производства водорода – паровая конверсия, предпочтительная на заре водородной экономики, когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. Однако будут необходимы возобновляемые источники энергии для снижения выбросов – энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды. Производство водорода может быть сосредоточено как на централизованных предприятиях, так и непосредственно на автозаправочных станциях [4].
На данном этапе транспортная система слабо адаптирована к водородному транспорту. Реструктуризация требует финансовых, энергетических и, возможно, политических затрат. Однако, на наш взгляд, нынешние вложения в технологии и разработки в будущем позволят улучшить экологические условия и научиться использовать фактически неисчерпаемую солнечную энергию, позволяющую сделать водород доступным и дешёвым энергоносителем.