В самом конце 2020 года на одном из совещаний с правительством президент РФ Владимир Путин предложил создать автобус, работающий на водородном топливе. Он сказал: «Нужно обязательно сделать следующий шаг, и к 2023 году сделать городской автобус на водородном носителе – там потом применяется электродвигатель, но на водороде нужно сделать».

 На прошедшей в сентябре выставке Comtrans 2021 в выставочных павильонах столичного «Крокус Экспо» на стендах отечественных автопроизводителей были представлены несколько экземпляров автомобилей, использующих водород в качестве топлива. Наверное, никто не ожидал, что российские автопроизводители столь оперативно откликнутся на прозвучавший призыв первого лица государства. Таким образом, именно с этого события в стране началась новая эра – водородная. В ее будущей летописи сентябрь 2021 года станет отправной точкой.

Почему водород

Сегодня многие ведущие мировые автопроизводители уже выпустили образцы водородной автомобильной техники. Такие модели автомобилей есть у Toyota, Honda, Hyundai, BMW. К водородной тематике обратились и другие автокомпании. Водородомобили вместе с электрокарами откроют совершенно новую эру в истории автомобильного бизнеса.

Существуют прогнозы, что с использованием этого самого распространенного элемента из таблицы Менделеева черед два-три десятилетия возникнет огромная индустрия, наподобие той, которая возникла и сформировалась на использовании нефти и газа в качестве топлива. Прогнозируется, что это будет отрасль в оборотом $ 3 трлн и порядка

20-30 млн новых рабочих мест. Она вытеснит до четверти объема ископаемых энергоносителей из мировой экономики. Не правда ли, перспективы впечатляют?

Первые публикации об использовании водорода как массового вида топлива появились еще в 70-ые годы прошлого века в США. Тогда очень остро встала проблема загрязнения атмосферного воздуха огромной армией автомобилей. Вдобавок, нефтяной кризис 1973 года актуализировал вопрос стабильности нефтяных поставок из арабских в развитые страны. Поэтому водородная тема возникла как альтернатива использования ископаемых видов топлива.

Использование водорода в качестве топлива, проводились и в нашей стране. Были разработаны двигатель для ракеты «Энергия», самолет Ту-154, автомобиль микроавтобус РАФ, работающие на Н2. Однако с точки зрения экономики эффект от этих первых моделей оказался весьма сомнительным, а их судьба незавидной. Себестоимость пробега на один километр на водороде многократно превышала цену аналогичного пробега автомобиля на бензине или дизеле. Причина такой дороговизны состоит в том, что производство водорода из углеводородов путем паровой конверсии или электролиза

из воды требует большого количества энергии. Кроме того, паровая конверсия углеводородов сопровождается выделением углекислого газа — СО2, а это, как известно, парниковый газ, с которым и надо бороться «водородной экономике».

Поэтому в течение ХХ века не удалось создать конкурентоспособные альтернативные установки как для промышленной энергетики, так и на транспорте.

Однако все изменилось в XXI веке. Стала бурно развиваться отрасль по получению энергии из возобновляемых энергоносителей. И на таких электростанциях, использующих солнечную и ветряную энергию, себестоимость выработки энергии уже не превышает уровень в 1,5-1,6 руб. за кВт∙ч. Что является великолепным результатом и даже несколько ниже, в сравнении с электростанциями, использующими традиционное топливо.

По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2040 году доля генерации электроэнергии на солнечных и ветряных электростанциях в мире может составить до трети объема выработки энергии (сегодня более 5%). Очевидно, что в отдельных странах и регионах доля ВИЭ будет еще больше.

Но здесь следует обратить внимание на такой момент. С развитием ВИЭ энергосистемы будут зависеть от таких факторов, как метеорологические условия (сила ветра) и время суток (солнце не светит ночью). Поэтому выработка электроэнергии на солнечных и ветряных электростанциях будет неравномерной, и зависеть она будет от данных внешних условий

 В энергосистеме, где велика доля таких источников энергии, это будет напоминать хаотичное включение или выключение крупной электростанции, причем несколько раз в сутки. Бороться с такими  колебаниями можно путем накопителей энергии. Такой накопитель энергии заряжается в периоды переизбытка энергии в энергосистеме и разряжается, то есть отдает ее, в периоды возникающего дефицита.

 Когда в реальной энергосистеме появляется избыточная и достаточно дешевая электроэнергия от солнечных и ветряных электростанций, свободных от углеродного следа (выбросов СО2), то ее можно преобразовать в водород, который использовать в качестве чистого топлива для автомобилей, локомотивов, судов и даже самолетов. Это позволит отказаться от углеводородов как сырья для производства водорода. Таким путем идут инновационные компании и не только в Европе.

 Поэтому получаемый водород подразделяют на разные «сорта», ведь в основе такого деления лежит критерий экологичности. Так, самый «чистый» водород – «зеленый», есть еще «желтый», который получают электролизом, в процессе которого вода распадается на кислород и водород. В классификации есть также «серый», «бирюзовый», «голубой», «коричневый» сорта, в зависимости от экологичности производства. Понятно, что из угля или природного газа он менее экологичный.

Как работает водород

Итак, как же работают водородомобили? На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

 Таким образом, водород является экологичным топливом, а водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода СО2. Кроме того, водородомобили отличаются высоким КПД. Сравните: у ДВС он составляет порядка 30-35%, коэффициент водородного выше 45%.

КАМАЗы и ЛИАЗы на водороде

Одним из самых первых серийных водородомобилей в мире стала японская модель Toyota Mirai. Но в нашей стране, судя по прошедшей выставке Comtrans 2021, первыми будут использовать этот вид топлива пассажирская и грузовая техника. Отечественные автопроизводители представили на выставке Сomtrans 2021 три перспективные модели водоробусов от КАМАЗа и две от Группы ГАЗ, а также грузовой автомобиль КАМАЗ-65208Н2. Пока это не серийные образцы, а скорее, прототипы. У них впереди длительный цикл испытаний и доводки до серийного производства. Поэтому таблички, стоящие у выставочных образцов, на которых приведены технические характеристики и эксплуатационные показатели, нуждаются в подтверждении. Но в принципе, первый шаг в водородное будущее сделан.

Водоробус Citimax 12 Группы ГАЗ построен на основе стандартного электробуса (ЛИАЗ). Все оборудование расположено на крыше. Оно включает баллоны со сжатым под давлением 350 бар водородом — суммарный объем составляет 1200 литров. Здесь же находятся топливные элементы (канадского производства), устанавливаются также

литий-титановые батареи, емкость которых снижена вдвое по сравнению с обычным электробусом (примерно до 40 кВт•ч). Соответственно, в исключительно электрическом варианте такая машина способна преодолеть 20-25 км, но с полным запасом водорода в баллонах запас хода заявлен на 350 км.

Водоробус КАМАЗ-6290 построен на шасси и кузове электробуса НефАЗ, хорошо знакомого жителям столицы. Все топливное оборудование также вынесено на крышу. Баллонов там шесть, масса водорода в них 24 кг. Также на машине есть аккумулятор, емкостью 59 кВт•ч. Установка с топливными элементами «импортная», мощностью 45 кВт. А заявленный пробег 250 км меньше, чем у газовского конкурента.

Впрочем, о конкретных сроках серийного производства и вывода автобусов на улицы российских городов, пока никто не говорит. Первые околосерийные образцы водоробусов ожидаются в 2025 году, а вот массово на маршруты они начнут поступать не ранее 2026- 2027 года. Нужно решить много вопросов, прежде всего касающихся безопасности. Вдобавок, фактически с нуля нужно создавать водородную инфраструктуру. Сегодня в

стране есть только одна демонстрационная заправка в Черноголовке близ Москвы. В будущем предполагается, что такие станции должны появиться в автобусных парках. Ну а поскольку мы видели, как медленно разворачивается газозаправочная инфраструктура в нашей большой стране, то на слишком быстрый процесс рассчитывать не приходится. Это в Германии уже более 400 водородных заправок.