Зелёный элемент

Зелёный элемент. Как мир переходит на водород и чем это грозит России

Однако на пути к «зелёному» водородному будущему немало помех. «Секрет фирмы» разобрался, кто и как уже внедряет новые технологии и не останется ли Россия на обочине этого тренда.

Водород везде — от Lada Kalina до самолётов для British Airways

Через 10 лет в Европе должно быть не менее 30 млн автомобилей с нулевым уровнем выбросов, а к 2050 году безвредными для экологии должны стать почти все машины, включая грузовики и автобусы. А также авиация и морской транспорт. Об этом говорится в «стратегии устойчивой и умной мобильности» Евросоюза.

Речь идёт не только про электротранспорт. Предполагается, что заметная часть машин будет работать на водороде. Точнее, на водородных топливных элементах, где вырабатывается электроэнергия, которая и приводит в движение мотор.

Эра такого транспорта началась: в феврале в Мадриде запустили первый автобус на водородном топливе, а власти Лондона уже объявили, что городской транспорт полностью перейдёт на водород в 2037 году.

Многие автоконцерны разрабатывают и даже уже выпускают водородные модели: Toyota (Mirai), Honda (Clarity), Hyundai (Nexo), Mercedes-Benz (GLC F-Cell, по необходимости заряжается от розетки), BMW (X5 i Hydrogen Next).

У отечественного автопрома есть подобные разработки: в 2019 году «АвтоВАЗ» представил прототип водородного автомобиля на базе Lada Kalina. В течение года разработчики должны были создать опытный образец, но с тех пор о проекте информации нет.

Килограмм водорода даёт примерно в три раза больше энергии, чем сопоставимое количество дизельного топлива или бензина.

Тенденция заметна и в грузовом сегменте: в конце 2020 года Hyundai начал поставлять клиентам первые водородные грузовики, а в России фирма «Эвокарго» представила беспилотный электрогрузовик, который можно заправлять водородом.

Применение водороду ищут и в авиации. Калифорнийский стартап с русскими корнями ZeroAvia с 2017 года разрабатывает водородно-электрические самолеты. За три года ему удалось привлечь $37,7 млн инвестиций, в том числе от фондов Билла Гейтса и Amazon. Пока речь идёт только о небольших самолетах, преодолевающих расстояния в 800 км. Опытный образец ZeroAvia Федеральное управление гражданской авиации США одобрило в 2019 году, а его первый полёт состоялся осенью 2020-го. Разработками уже заинтересовались 10 авиакомпаний — в частности British Airways.

«Технология водородных топливных элементов открывает потенциал для полётов крупных самолетов на большие расстояния, а это означает, что она может масштабироваться, чтобы предложить эффективную альтернативу реактивному керосину без выбросов. Водород также может обеспечить снижение затрат на топливо и техническое обслуживание», — объяснил «Секрету» вице-президент по Европе ZeroАvia Сергей Киселев.

Пока рынок сдержанно принимает водородные новинки

Это демонстрирует история с автомобилями Toyota Mirai. Их серийно выпускают с 2014 года, основные рынки — США и Япония. В 2020 году вышла модель второго поколения, стоимость начинается с 5 млн рублей. Toyota надеялась продавать по 30 000 автомобилей Mirai, но спрос в 10 раз меньше — из-за плохо развитой инфраструктуры. В США, например, всего около 10 водородных заправок, в Германии – свыше 50.

В России и вовсе одна водородная АЗС. Её открыли в подмосковной Черноголовке летом 2020 года при участии одного из немногих российских владельцев Toyota Mirai Владимира Седова. Правда, на заправке не смогли даже полностью заправить авто — не хватило давления (нужно 700 атмосфер, а на подмосковной АЗС всего 500). Ранее Владимир на свои деньги запускал подобную станцию в родном Красноярске — и потратил на это более 10 млн рублей (при том что автомобиль ему обошёлся в 7 млн).

Проблемы с инфраструктурой, похоже, не останавливают правительство Санкт-Петербурга: осенью 2020 года там задумались, как перевести каршеринг на водородное топливо: компания Hyundai готова предоставить свои автомобили для пилотного проекта. Оператор каршеринга пока неизвестен, как и детали идеи.

Директор по стратегическим проектам каршеринговой компании «Делимобиль» Дарио Пелацо скептически смотрит на такие эксперименты: «На сегодняшний день перевод машин на водородное топливо не представляется возможным в силу ряда причин. Основные — отсутствие инфраструктуры для заправки и обслуживания таких автомобилей. Проблема водородного топлива заключается ещё и в высокой стоимости его производства, которая в разы выше, чем дизельное или бензин», — сказал он «Секрету».

Современный водород не нужен экономике будущего

Есть несколько способов получить водород. Первый — переработать углеводородное сырьё (природный газ или уголь). Это энергоёмкий процесс, при котором выделяется значительное количество углекислого газа — основного парникового газа, вызывающего изменение климата. Полученный таким методом водород нельзя считать экологичным, поэтому его называют «серым».

Есть «зелёный» водород — его получают электролизом воды (разложения вещества на составные части под воздействием тока). Если электричество для этого процесса вырабатывают из возобновляемых источников, такое производство считается безвредным для природы. Когда говорят о водороде как о топливе будущего — имеют в виду именно его. Промежуточный вариант — «голубой», когда при производстве «серого» водорода улавливают углекислый газ.

«Водород, произведённый с минимальными выбросами парниковых газов (“зеленый” или “голубой”), становится несравненно лучшим энергоносителем по сравнению с нефтью или газом — по критерию влияния на глобальные климатические изменения, по “углеродному следу”, — говорит старший аналитик Центра энергетики Московской школы управления Сколково Юрий Мельников. — Природный газ и нефть по своей природе не могут сравниться с водородом по этому показателю — при их добыче, транспортировке и использовании непрерывно выделяются парниковые газы (метан, СО2), и свести все эти выбросы к нулю невозможно».

Однако производство «зелёного» и «голубого» водорода обходится дорого. К тому же установки для производства такого вещества маломощные и их немного. Поэтому в мире пока больше всего «серого» водорода — около 99%.

Из 70 млн тонн производимого сегодня в мире водорода половину потребляет химическая промышленность. Остальное распределяется между нефтепереработкой (43%) и производством стали, полупроводников и термополированного стекла.

Себестоимость производства «зелёного» водорода — этот $3-4 за килограмм. Это примерно в три раза дороже, чем «серого» ($1-2), но зато вдвое меньше, чем 10 лет назад. А поскольку стоимость ветровой и солнечной энергии продолжает падать, а экономия от масштаба производства «зелёного» водорода возрастает, он может подешеветь ещё сильнее. Если это произойдёт, «зелёный» водород может стать основным топливом будущего, пишет MIT Technology Review.

Если ли место для России в водородном будущем

К 2050 году почти четверть мировой потребности в энергии будет покрываться за счёт водорода, а его цена сравняется со стоимостью природного газа, следует из доклада Bloomberg. К тому времени, как предсказывает Hydrogen council, объём мирового рынка водорода достигнет $2,5 трлн (сегодня он оценивается в $150 млрд).

«Основные водородные технологии находятся в начале кривой обучения (это линия, которая показывает рост совершенства технологии и уменьшение её стоимости по мере распространения и масштабирования. — Прим. «Секрета»), — говорит Юрий Мельников. — Применяются они в ограниченных масштабах, и потому дороги. Ключом к их удешевлению является глобальное масштабирование технологий — в сотни, тысячи раз — и здесь важна роль мер поддержки со стороны государств».

Многие страны разработали национальные водородные стратегии — в частности, они появились в Германии, Нидерландах, Франции, Норвегии, Португалии, Испании. Осенью 2020 года такой документ появился и в России.

Согласно ему, экспорт водорода из России к 2024 году должен достичь 200 000 тонн, а к 2035 году вырасти уже до 2 млн тонн. Сейчас в стране производят 5 млн тонн водорода в год, но весь используют во внутреннем промышленном секторе. По планам властей, Россия через 15 лет должна получить весомое место на глобальном рынке — не менее 16%.

Вообще водород можно производить почти везде. Надежды на экспорт связаны с ожиданиями, что производимый в стране «безуглеродный» водород будет настолько дёшев, что его будет выгодно продавать в другой стране за сотни и тысячи километров от места производства, объяснил Юрий Мельников.

«Добиться такой конкурентоспособности будет непросто: ресурсы для производства водорода действительно распределены по планете равномерно, а логистические решения пока находятся на очень ранней стадии развития», — добавил эксперт «Сколково».

Фото: PetrolValves S.p.A. / Wolfram Scheible nord-stream2.com

Лидерами в развитии водородных технологий сейчас считаются Япония и Германия. «При этом РФ находится в переговорном процессе с Германией по вопросам использования водорода. У России есть развитая сеть трубопроводов, у Германии — технологии. Объединив эти возможности, можно получить совместные перспективы, — говорит доцент кафедры национальной экономики экономфака РУДН Максим Черняев. — А в перспективе — и новые пакеты санкций, которые неизбежно прилетят из-за океана. РФ своими действиями даёт понять, что готова к подобному развитию событий. Готовы ли партнёры? Германия изучает этот вопрос».

«Неоспоримое преимущество России, которое позволит сразу вырваться в лидеры мирового рынка водородной энергетики, — газовая инфраструктура “Северный поток” и “Северный поток — 2”, через которую можно гнать газ, можно — водород, а можно — смесь, и это пока самый перспективный вариант. Вместе с тем существует опасность стать сырьевым придатком, только на более высокотехнологичном уровне. Риск в том, что начнут отправлять весь произведённый водород в Европу без дальнейшего использования в производстве или для энергетических нужд граждан», — считает руководитель направления «Промышленность» Института технологий нефти и газа Ольга Орлова.

Первыми крупными производителями «зелёного» водорода, вероятнее всего, станут «Росатом» и «Газпром». Пилотные установки компании запустят к 2024 году на базе атомных электростанций, объектах добычи газа и перерабатывающих предприятиях. Кроме того, к этому году «Росатом» должен построить опытный полигон для испытаний железнодорожного транспорта на водородных двигателях.

Рост спроса на «зелёную» энергетику угрожает бюджетным доходам страны. Будучи одним из крупнейших поставщиков угля, нефти и газа, Россия оказывается в уязвимой ситуации при падении спроса на топливо. Что и показала коронавирусная весна 2020 года. Вероятно, поэтому правительство решило начать формировать репутацию России как поставщика водорода — альтернативного энергоносителя. Ведь то, что сейчас выглядит, скорее, хайпом, через несколько десятилетий может стать реальностью.

Участник «Больших вызовов» создал дрон на водородном топливе

Десятиклассник из Орловской области Даниил Толпекин уже несколько лет увлекается беспилотниками. Чтобы пройти отбор на «Большие вызовы», он изучил дроны разных видов: с двигателем внутреннего сгорания, на литиевом аккумуляторе и на водородном топливе. Также он сконструировал собственный дрон на водороде.

В «Сириусе» на направлении «Беспилотный транспорт и логистические системы» Даниил разрабатывает систему зарядки дрона в воздухе с помощью лазера.

– Какие показатели у дронов ты сравнивал в своем исследовании и к каким результатам пришел?

– По моим подсчетам, дрон на водороде дешевле остальных примерно в два-три раза. Но целью моего проекта было увеличение запаса хода дрона на водородном топливе. Принцип его работы прост: установка состоит из 10-литрового баллона со сжатым водородом и клапана, который под давлением передает топливо на решетку, выделяющую электричество.

– Какие преимущества у водорода перед другими источниками энергии?

– Водородный топливный элемент экологически чистый, при его эксплуатации в окружающую среду выделяется только водяной пар. К тому же, это относительно простой метод получения энергии. Вообще, водород сегодня в России недооценен. В других странах его уже вовсю используют, есть машины на водородном топливе, заправки на водороде. У нас, конечно, тоже есть такая заправка, но она всего одна.

За счет большого запаса хода дрон на водороде пригодится в профессиональной съемке. Можно снимать или проводить наблюдения около 90 минут, не приземляясь и не меняя аккумулятор. Затем он садится, с помощью специального механизма меняет баллон, и через 5 минут уже снова готов к полету. Для сравнения, дрон с литиевым аккумулятором придется сажать и заряжать через каждые 15 минут после взлета. А дрон с двигателем внутреннего сгорания неэкологичный и при этом дорогой в эксплуатации за счет затрат на бензин.

– Как ты узнал о «Больших вызовах»? Как проходил отбор на программу?

– В школе мне рассказали про региональный центр поддержки одаренных детей «Созвездие Орла» (один из 60 региональных центров, работающих по модели «Сириуса», – прим.ред.) там есть близкая мне программа «Кинематика полетов». Я прекрасно понимал, что мой проект еще немного сырой, но все равно надеялся попасть в «Сириус». Последним этапом отбора было собеседование, к которому я готовился несколько дней и на все вопросы ответил спокойно и без лишних нервов.

– Чем ты занимаешься здесь, в «Сириусе»?

– Мы с командой занимаемся передачей энергии на дрон с помощью лазера. Первые пару дней изучали теорию, искали информацию об аналогичных проектах в разных странах и выяснили, что похожих проектов было всего три. Цель нашего исследования – при помощи лазера и солнечной панели обеспечить зарядку дрона в воздухе, не сажая его.

– Каких успехов вы уже добились?

– Мы уже разработали 3D-модель системы наведения. В ближайшие дни распечатаем ее и приведем в работу, чтобы она могла следить за дроном с помощью GPS-сигнала и искусственного интеллекта. А сейчас проверяем экспериментально, сколько энергии можно подать нашим лазером.

Считаю, что наш проект станет прорывом в зарядке дронов. Если мы сделаем более практичную систему, которую можно будет применять, это будет действительно классно.

Анастасия Ковалева, Высшая школа экономики

Водородные топливные элементы – технология будущего в автомобильной промышленности

Работа водородных топливных элементов относительно проста. Их работа интересна тем, что для сгорания нужны только вода и энергия. Как мы знаем, экологический аспект имеет решающее значение для автомобилестроения в 21 веке. Узнайте, как работают современные водородные приводы и как решения Knauf могут поддержать их производительность.

Экологичная двигательная установка – как работают водородные топливные элементы?

Водород – первый элемент периодической таблицы. Это самый легкий и распространенный химический элемент во Вселенной. Его много на Земле, но в чистом виде он редко встречается. Однако его можно найти во многих других соединениях, в том числе и в воде.

Водород может использоваться в качестве топлива для различных транспортных средств — от скутеров и автобусов до космических ракет. Схема реакции, которая возникает при сжигании чистого газообразного водорода в кислороде, выглядит следующим образом:

Поэтому процесс здесь чрезвычайно чистый — не образуется никаких дополнительных соединений, например, CO2 или других вредных веществ. Энергии, получаемой при сжигании водорода, достаточно для приведения в действие автомобиля. Несмотря на это, использование водорода в качестве экологически чистого источника энергии создает серьезную проблему: батареи, работающие на водороде, не являются экологически чистыми. Это связано с доступностью водорода – при имеющихся у нас условиях он лишь изредка доступен в форме, пригодной для использования в двигателях. Это означает, что мы должны получать его альтернативным способом. Существует несколько методов, но два из них стоит различать:

• Производство природного газа – паровое преобразование. Пар сочетается с метаном, в результате чего из моноксида углерода и водорода образуется синтез-газ. В ходе этого процесса выделяется значительное количество окиси углерода, но, несмотря на это, это все же более экологичный метод, чем сжигание ископаемого топлива.
• Зеленое производство водорода – это метод, основанный на возобновляемых источниках энергии. Высокая мощность электролизатора позволяет превращать воду в водород и кислород. Этот метод не способствует образованию химических соединений, вредных для окружающей среды.

Факты о водородной двигательной установке – технология будущего или пережиток прошлого?

Водород, как сырье для производства автомобилей, является предметом дебатов на протяжении многих лет. Сегодня, однако, мы особенно близки к тому, чтобы широко использовать этот элемент для обеспечения высокой тяговой мощности. В настоящее время это решение не пользуется особой популярностью — в основном оно используется в больших автобусах. На рынке всего несколько тысяч автомобилей; чаще всего это демонстрационные автомобили или модели из частных коллекций.

Водородный двигатель, однако, страдает не от недостатка потенциала развития, а от отсутствия соответствующих исследований в этой области. Потенциал этого сырья признан большинством энергетических организаций. Поэтому ведутся передовые работы, направленные на то, чтобы сделать водородный топливный двигатель не только более эффективным, но и более доступным для ежедневного использования.

В настоящее время водородные технологии представляют интерес для тех стран, которые в наибольшей степени привержены программам климатических реформ, рассматривая это сырье как столь необходимую альтернативу электричеству. Однако пока еще не ясно, в какой степени энергетические установки смогут удовлетворить мировые потребности в эпоху электромобильности. Революция электромобилей, вероятно, потребует от нас полной реструктуризации транспорта и разработки альтернатив, которые позволят сотням тысяч электромобилей безопасно пользоваться электросетью. Возможно также, что водород, как высокопотенциальное сырье, навсегда останется в автомобильном секторе.

Воспользуйтесь преимуществами инноваций Knauf Industries — высококлассными компонентами из EPP для водородных топливных элементов

Электромобильность приносит не только новые возможности, но и вызовы. Для их реализации необходимы самые передовые решения. Опыт Knauf Automotive позволяет нам создавать инновации, которые помогают не только построить новую автомобильную отрасль, но и усовершенствовать существующие решения. Наша продукция предназначена для поддержки экологических решений. Мы стремимся предоставлять решения, пригодные для вторичной переработки и обеспечивающие добавленную стоимость на многих уровнях для клиентов.

Что касается водородных двигателей, то мы разработали высокотехнологичные решения с использованием таких материалов, как EPP. Перечень преимуществ EPP в защите купола для водородных судов является длинным.

Наиболее важным из них является амортизация ударов, так как основной задачей этой части является выполнение требований R134, который является регулированием для водородных суден. Детали из вспененного полипропилена должны быть стойкими к многократным ударам.

Другими ключевыми характеристиками компонентов из пенополипропилена для водородных сосудов являются:

• Легкость (детали с высоким рассеиванием энергии).
• Большой диапазон рабочих температур
• Химическая инерция
• Простота сборки
• Может поглощать изменение размеров сосудов

Те же самые характеристики делают EPP идеальным решением и для другого сектора «зеленой» мобильности – компонентов аккумуляторных батарей. Они позволяют снизить отрицательное влияние низких температур, которое негативно сказывается на их работе, без значительного увеличения веса автомобиля. Обеспечивая отличную электрическую и тепловую изоляцию, а также отличную ударопрочность, детали EPP являются важной частью решений, применяемых в электромобилях сейчас и будут применяться и в будущем.

Наши инженеры предлагают огромное количество различных решений для автомобильной промышленности, которые позволяют значительно улучшить функционирование электромобилей и автомобилей на водороде. Наш богатый опыт в сочетании с индивидуальным подходом позволяет нам сократить время вывода на рынок совершенно новых проектов, легко конфигурировать различные решения и быстро разрабатывать эффективные инновации, способствующие росту автомобильной промышленности в Европе и за ее пределами.

Преимущества водорода с точки зрения автомобилестроения

Это широко доступный, дешевый и эффективный элемент, поэтому уже сейчас стоит рассмотреть первоначальные мысли о моторе, в котором он будет использоваться. В настоящее время стоимость эксплуатации этого типа транспортных средств аналогична стоимости бензиновых автомобилей. Однако закупочная цена намного выше, а инфраструктура не так развита. Это те вопросы, которые, скорее всего, изменятся в будущем — и это будет значительным шагом на пути к улучшению экологической ситуации во всем мире.

Рассмотрим: Передний модуль пассивной защиты пешеходов – передние воздушные направляющие Renault Captur и амортизатор переднего бампера

17 февраля 2021

Почему городские автомобили продолжают увеличиваться в размерах, и как уменьшить их вес с помощью современных автомобильных компонентов из пенополипропилена EPP?

03 августа 2020

Все о технологиях, лежащих в основе гибридов plug-in

Automotive Week 2019 – Зачем мы собрались в Танжере

11 декабря 2019

Тампопечать в автомобильном секторе – преимущества и применение

Инновации в автомобильной отрасли – какие технологии моторизации имеют будущее?

27 августа 2021

Зеленый, надежный транспорт – что вам нужно знать об этом?

DFM – Дизайн для производства в автомобильной промышленности. Преимущества, добавленная стоимость и затраты

Защита двигателя от брызг – защита днища и улучшение управляемости

Анализ экономической эффективности и технико-экономическое обоснование в автомобильном секторе

XCEED – blockchain in the automotive industry

Декарбонизация. Финская компания испытывает газопоршневые двигатели на водороде: фото

Финская технологическая группа Wärtsilä начала испытания своих газопоршневых двигателей на чистом водороде, предназначенных для балансирования энергосистем. В компании планируют к 2025 году создать концепт двигателя и электростанции, способных работать на 100% водороде, сообщается в пресс-релизе группы.

По прогнозам Wärtsilä, зеленый водород будет удовлетворять 13% мирового спроса на энергию к 2070 году. Однако пока на рынке не существует серийных двигателей, способных эффективно использовать это топливо, что ставит под угрозу глобальные амбиции по достижению нулевых выбросов.

Подписывайтесь на LIGA.Бизнес в Telegram: только важное

Wärtsilä объявила старт программы испытаний своих газопоршневых двигателей. В городе Вааса (Финляндия) будет исследована существующая технология двигателей серии 31, чтобы определить оптимальные параметры для работы на водороде. Сейчас газопоршневые двигатели Wärtsilä используются в качестве гибких балансирующих мощностей в энергосистемах с высокой долей ВИЭ.

В компании уверены, что зеленый водород, произведенный с использованием избыточной возобновляемой энергии с помощью электролиза, и другие виды чистого топлива на основе зеленого водорода будут обеспечивать длительный запас энергии, чтобы совместно с ВИЭ и краткосрочными системами накопления энергии (такими как литий-ионные батареи) создать надежные и полностью безуглеродные энергетические системы.

Согласно моделированию, осуществленному компанией Wärtsilä, только в странах G20 необходимо 11 000 ГВт солнечных и ветровых станций, чтобы достичь 100% возобновляемой энергетики. Также это потребует 933 ГВт углеродно-нейтральных тепловых маневренных мощностей, чтобы сделать возможным добавление такого объема ВИЭ и уравновесить эти будущие энергосистемы.

«Способность модифицировать существующие двигатели под использование водорода и других видов топлива на основе водорода, когда они станут широкодоступными, является критически важной для достижения глобальных целей декарбонизации. Двигатель внутреннего сгорания – это ключевая технология, с которой становится возможным наращивание возобновляемых источников энергии, поскольку она обеспечивает гибкость, необходимую для балансирования прерывистой генерации ветра и солнца», – отмечается в пресс-релизе.

• В 2019 году эксперт ООН предупредил о возможном «климатическом апартеиде», когда негативные последствия климатических изменений затронут в большей степени бедное население планеты. В 2020 году генсек ООН Антониу Гутерреш заявил, что XXI век может стать последним для человечества из-за экологических изменений. Исследователи из Принстонского университета считают, что климатический кризис подталкивает тропические регионы планеты, где проживают свыше 40% населения Земли, к пределам адаптации для жизни человека.
• В июне Европарламент одобрил климатический закон, который обязывает страны-членов ЕС снижать выбросы СО2 к 2030 году на 55% по сравнению с 1990 годом. Также Еврокомиссия подготовила крупный пакет законодательных предложений для достижения этой цели.

Подписывайтесь на LIGA.Бизнес в Facebook: главные бизнес-новости