Водневі автомобілі VS електромобілі
Сьогодні уже ніхто не сперечається, що з часом автомобілі на відновлювальних джерелах енергії витіснять традиційні авто з двигунами внутрішнього згоряння. Питання лише у тому, чи людство зупиниться на електромобілях, чи це будуть машини на іншому паливі, наприклад, водні. Викладач інженерної хімії пояснює, чому, на його думку, водневі автомобілі не зможуть обігнати у розвитку електромобілі.
Старший викладач хімічної інженерії, Абердинський університет (Шотландія)
Водень вже давно рекламується як майбутнє для легкових автомобілів. По суті, це електричний транспортний засіб на водневих паливних елементах (FCEV), який працює на стисненому водні і має нульовий рівень викидів вуглецю.
Такі автомобілі заправляються так само швидко, як і автомобілі на викопному пальному і мають аналогічну дальність проїзду. Розвиток водневих автомобілів підтримують деякі автогіганти, наприклад Toyota, яка випустила уже друге покоління моделі на водні — Mirai.
Нещодавно Канадська асоціація водню та паливних елементів опублікувала звіт про переваги водневих транспортних засобів. Серед інших пунктів було сказано, що вуглецевий слід таких автомобілів на порядок нижчий, ніж у електромобілів: 2,7 г СО2 на кілометр, порівняно з 20,9 г.
Все-таки я думаю, що водневі паливні елементи — це хибна концепція. Я думаю, що водень відіграватиме важливу роль у досягненні нульової емісії вуглецю, замінивши природний газ у промисловому та побутовому опаленні.
Але я спробую проаналізувати, як водневі авто можуть конкурувати з електромобілями. Моя думка підкріплена двома останніми заявами.
Зокрема, у звіті BloombergNEF йдеться про те, що для основної частини ринку легкових, вантажних автомобілів та автобусів технологія з використанням акумуляторів є більш дешевим рішенням, ніж паливні елементи.
Подібну заяву зробив німецький автоконцерн Volkswagen. "Висновок зрозумілий", - сказали в компанії. "Що стосується легкового автомобіля, все говорить на користь акумулятора, і практично нічого не говорить на користь водню".
Проблема ефективності водню
Причина, через яку водень є неефективним, полягає в тому, що енергія повинна рухатися від дроту до газу і потім знову до дроту, щоб живити автомобіль. Це називають переходом вектора енергії.
Візьмемо наприклад 100 Вт електроенергії, виробленої відновлювальним джерелом, таким як вітрогенератор. Щоб живити FCEV, ця енергія повинна бути перетворена на водень, (наприклад шляхом електролізу). Енергоефективність цього процесу близько 75%, тому приблизно чверть електроенергії автоматично втрачається.
Отриманий водень повинен бути стиснутий, охолоджений та має транспортуватися до водневої станції. На це витрачається ще близько 10% енергії.
Потрапивши всередину транспортного засобу, водень потребує перетворення в електроенергію, з коефіцієнтом ефективності 60%.
Нарешті, електроенергія, яка використовується у двигуні для приведення автомобіля в рух, має приблизно 95% ефективності.
У підсумку коефіцієнт корисної дії складає 38%. Тобто від початкової потужності 100 Вт ефективно використовується лише 38 Вт.
У електромобілях із батареєю енергія передається прямо від джерела до двигуна. Ті ж 100 Вт потужності від вітротурбіни втрачають близько 5% під час транспортування в електромережі (у випадку водню припустимо, що перетворення відбувається на місці поблизу вітроелектростанції).
Ви втрачаєте ще 10% енергії від зарядки та розрядки літій-іонного акумулятора, а також ще 5% під час використання електроенергії для руху автомобіля. Таким чином загальний ККД знизився до 80 Вт.
Іншими словами, водневий паливний елемент потребує подвійної кількості енергії.
Станції для зміни батарей
На дорогах близько 5 мільйонів електромобілів, і продажі постійно зростають. Це в кращому випадку лише близько 0,5% від загальної їх кількості у світі. Електромобілі уже перебувають в іншій лізі, ніж водневі авто, продажі яких на кінець 2019 року сягнули близько 7500 штук у всьому світі.
У світі все ще є дуже мало заправних водних станцій, і їх будівництво навряд чи стане пріоритетом під час пандемії коронавірусу.
Проте ентузіасти в довгостроковій перспективі вказують на кілька переваг перед електромобілями: водії можуть набагато швидше заправлятись та їздити набагато далі. Як і я, багато людей неохоче купують електромобілі саме з цих причин.
Китай, де продається понад мільйон електромобілів на рік, показує, як можна вирішити ці проблеми.
Інфраструктура будується для того, щоб власники змогли швидко заїхати на заправку та замінити батареї. Компанія NIO, виробник автомобілів, що базується в Шанхаї, демонструє, що можна змінювати батареї на спеціальних станціях за три хвилини.
Китай планує побудувати велику кількість таких станцій. BJEV, дочірня компанія-виробник електричних автомобілів BAIC, інвестує 1,3 мільярда євро у будівництво 3000 станцій зарядки акумуляторів по всій країні впродовж найближчих двох років.
Це не тільки відповідь на "тривогу" майбутніх власників електромобілів, але також стосується їх високої вартості. Акумулятори складають близько 25% від середньої ціни продажу електромобілів, яка все ще дещо вища, ніж бензинові або дизельні еквіваленти.
Використовуючи концепцію "swap" (заміни), акумулятор можна взяти в оренду, при цьому частина вартості — це плата за прокат. Це зменшило б вартість купівлі та стимулювало б використання.
Батареї, що міняються, також можуть бути заряджені за допомогою надлишкової поновлюваної електроенергії — величезний позитивний екологічний ефект.
Справді, ця концепція потребує певної стандартизації технології акумуляторів, яка може не подобатися європейським виробникам автомобілів.
Крім того, той факт, що незабаром технологія акумуляторів може подовжити загальний ресурс пробігу електромобілів до мільйона миль (1,6 млн км), може зробити бізнес-модель більш привабливою.
Це може не працювати з більш важкими транспортними засобами, такими як мікроавтобуси чи вантажівки, оскільки їм потрібні дуже великі акумулятори. Тут водень дійсно може вийти на перше місце, як прогнозував BloombergNEF у своєму недавньому звіті.
Зрештою, щодо претензії про різницю викидів вуглецю, про я що йшлося у звіті Канадської асоціації водню та паливних комірок. Я перевірив джерело статистичних даних, де було зазначено, що вони порівнюють водень, виготовлений із чисто відновлюваної електричної енергії, з електромобілями, що працюють на електроенергії з викопного палива.
Якби в обох випадках заряджати електроенергію з відновлювальних джерел, то викиди вуглецю були б значно меншими. Оригінальний звіт фінансувався галузевим консорціумом H2 Mobility, тому це хороший приклад необхідності бути обережними з інформацією в цій галузі.
Оригінал тексту розміщений у австралійському некомерційному порталі The Conversation, який публікує матеріали дослідних і наукових товариств.