Почему водород не взлетит

Одна из тем, которые часто поднимаются в комментариях к новостям об электромобилях - “литий-ион это тупиковая технология, вот водород намного лучше!” Давайте разберемся, так ли это. Давайте разберем “водородные” аргументы по пунктам.

Водородные ДВС

С этими ребятами всё довольно просто: после пика интереса в середине 2000-ых, новых разработок в эту сторону практически не ведется, и вполне логично:

1. Нельзя просто взять и (с) накормить водородом обычный ДВС мотор, как минимум он должен быть доработан для более высокой температуры сгорания, ну и топливная система для водорода нужна своя.
2. Из доступных цифр расхода есть, например, BMW Hydrogen7 (“семерка” с бензо-водородным ДВС) 2008 года, которая расходовала 50 литров (4 кг) водорода на 100 км пути. Понятно, это “семерка”, но и современные авто с топливными ячейками расходуют 0.7-1.0 кг на сотню, что при ценах на водород в районе $10 за кг и так сравнимо с бензином, но $40 на сотню - уже несколько перебор.
3. Чистого выхлопа не получается, даже наоборот: из-за более высокой температуры сгорания выделяется больше токсичных окислов азота, чем у бензинового или дизельного мотора.

Поэтому единственная более-менее свежая новость про водородный ДВС - это гендир Тойоты с его гоночным “Ярисом”. И то - заправка у него занимала около 6-7 минут, намного дольше, чем у бензинового авто.

“Чистое” производство без редких материалов

Действительно, для производства батарей электромобилей используются литий, никель, кобальт, марганец в различных соотношениях, и действительно, добыча их - не слишком простой, дешевый и “экологичный” процесс.

Но и в топливных ячейках водородомобилей необходим катализатор - платина, примерно по 3 грамма на кВт мощности ячейки. Т.е. если мы хотим сделать автомобиль с 50 кВт (около 75 л.с.) постоянной мощности, нам нужно 150 грамм платины. Этот металл сейчас стоит около $35 тыс за кг, т.е. 150 грамм без учета затрат на производство уже стоят $5 тыс. У Toyota Mirai ячейка помощнее, 136 кВт - т.е. полкило платины для неё стоит уже $15 тыс.

Откуда же получается эта платина? В основном - как побочный продукт при производстве никеля и меди. К слову, мировой объем производства платины сейчас - около 250 тонн, из которых примерно 40% уходит на каталитические нейтрализаторы для ДВС; этих 250 тонн хватило бы для производства примерно полумиллиона автомобилей с топливными ячейками (1% мирового авторынка). Мировые запасы платины - 70 тыс тонн, это 140 млн автомобилей или примерно 10% мирового автопарка. Для сравнения, мировых запасов лития в 80 млн тонн хватит на 6.5 млрд электромобилей (300% нынешнего автопарка).

Что насчет “чистоты” - сложно сравнивать напрямую, особенно если мы и так никель производим. Но основная проблема тут, как мы увидим ниже, что даже если счесть, что производство платины не наносит вообще никакого вреда планете, водородный автомобиль - наносит.

Заправка водородом так же быстра и проста, как бензином

В реальности - вовсе нет. Во-первых, заправку сначала надо найти. В Калифорнии, которая работает с водородом уже почти 20 лет - 49 работающих станций (почти на всех - по одной колонке), в Германии - 91 станция, в Великобритании - 11. Для сравнения, в той же Калифорнии 245 станций Tesla Supercharger (не считая прочих сетей), в Германии - 115, в Великобритании - 102, и на каждой - от 2 до нескольких десятков скоростных зарядных стоек (чаще всего 6-8, от 150кВт и выше). И это тоже обоснованно: в США одна водородная колонка с необходимой инфраструктурой стоит около $3 млн, а средняя станция Supercharger - $300 тыс.

Во-вторых, сам процесс - дольше, чем у бензина (см. видео, например), хоть и несколько быстрее, чем у современных электромобилей (от 15 минут). Но время зарядки электромобиля можно провести с пользой, сходив в туалет, поев и размявшись, а с водородом так уже не всегда получится, то есть, туалет и разминка добавляются к длительности заправки.

В-третьих, современные массовые электрички уже достигли “психологического рубежа” в 15-20 минут на зарядку, и менять удобство домашней зарядки на еще вдвое более быструю заправку уже не всем интересно.

У водородных авто больше и “стабильнее” запас хода

Формально это так: запас хода больше, чем у бюджетных электричек (дальше, чем 647 км у Mirai, едут только топовые “электрички”), и в холодную погоду он практически не меняется, но и тут есть нюанс. Продаж водородных автомобилей на топливных ячейках в условиях тех самых “сибирских морозов” - не было, так что, об их ресурсе и поведении в такой среде мы знаем исключительно со слов производителя. И привезти такое авто, как некоторые делают с “электричками”, из местности, где они продаются - нельзя, так как оно жестко привязано к дорогой инфраструктуре.

Инфраструктура

Кстати, об инфраструктуре. Вроде бы, отличная идея: мы безотходно производим водород из воды электролизом рядом с источником энергии, гоним его по существующим газопроводам куда надо, заправляем на обычной АЗС и радуемся. Но, к сожалению, у водорода есть несколько неприятных особенностей, рушащих всю идиллию.

И ион, и молекула водорода - очень малы, поэтому он прекрасно просачивается сквозь стенки емкостей и трубопроводов, не говоря уж о всякого рода соединениях. То есть, мы получаем довольно серьезные потери газа при хранении (кстати, не припомню ни одной военной ракеты на водороде - в т.ч. из-за сложностей хранения) и транспортировке, но это пол-беды.

Вторая напасть - все металлы в атмосфере водорода постепенно охрупчиваются, то есть, наши газопроводы гораздо раньше расчетного срока потрескаются, придут в негодность, и их придется перекладывать. Ой.

А, ну и “чистого” водорода от электролиза сейчас производятся считанные проценты от мирового объема, потому что (сюрприз!) этот процесс не то чтобы очень прост (надо предварительно очищать воду и бороться с “отравлением” электродов), и очень невыгоден. И не только в плане стоимости.

Экономика энергии

Тут хотелось бы начать с “энергетической экономики” - какие у водородной экономики принципиальные и технические ограничения.

Итак, шаг первый - производство водорода. Для производства 1 кг водорода электролизом требуется 35.8 кВт*ч электроэнергии. Проблема в том, что на 1 кг газа лучшие водородные автомобили проедут 100-150 км, а на 35 кВт*ч электричества та же Tesla Model 3 - больше 200 км, и это мы еще не учитывали никакие потери! Может быть, есть другие, менее энергоемкие способы производства водорода? Есть, и он активно используется в промышленности - риформинг метана, энергозатраты всего 4.7 кВт*ч на кг, но при этом выделяется 6 кг СО2, и carbon footprint оказывается заметно так хуже, чем у электрички, и даже хуже, чем у бензинового авто. Ой. Есть ещё новый перспективный способ - пиролиз метана, при этом углерод выделяется в твердом состоянии, но этот способ пока что экспериментальный, в промышленности не внедрен, и про побочные эффекты ничего толком не известно.

Плотность водорода - около 90 грамм на кубометр, так что наш килограмм при нормальных условиях будет занимать ОЧЕНЬ много места, так что дальше нам нужно сжать или сжижить водород для хранения. В реальности жидкий водород почти не используется, т.е. его температура кипения -252 градуса Цельсия (ну или 20 Кельвинов), и постепенно испаряющийся водород надо стравливать в окружающую среду, иначе он разорвет емкость - а это риск взрыва и потеря газа. Поэтому в автомобилях используется сжатый газ. ОЧЕНЬ сжатый, стандартное давление у легковушек - 700 атмосфер; при сжатии в 700 раз газ сильно нагревается, поэтому этот процесс требует заметных затрат энергии на охлаждение, в итоге получаем где-то 80% КПД тут.

Дальше те самые потери при хранении и транспортировке, VW этот КПД оценивает в 80%. То есть, на заливку в бак нашего гипотетического Mirai 1 кг водорода нам нужно потратить около 55 кВт*ч энергии, и нашей Тесле этого хватит уже на 300-350 км.

Экономика денег

Теперь про деньги. Я уже упоминал, что одна (!) водородная колонка стоит примерно вдесятеро дороже простой станции Supercharger, а в пересчете на скоростные зарядные стойки - в 30-50 раз.

Самое очевидное следствие этой дороговизны инфраструктуры - дороговизна самого водорода, в среднем на заправках США и Европы он стоит около $10 за кг, что в пересчете на пробег выходит сравнимо с бензином. Тойота пытается “прятать” эту стоимость, предлагая покупателям 3 года бесплатной заправки, но шила в мешке не утаишь. Электричка же даже при зарядке исключительно на скоростных станциях обходится вдвое-втрое дешевле ДВС, а при зарядке дома по ночам - и того меньше.

Второе следствие - разреженность сети заправок, которая (вкупе с невозможностью заправки дома) означает регулярные поездки на станцию, что тоже заметно влияет на средний расход.

Как я уже говорил, одна только платина для топливной ячейки Mirai стоит около $15 тыс, но сколько стоит ячейка в сборе? Тойота тщательно оберегает эту тайну, но вот тут, например, продаются генераторы электричества на основе топливных ячеек в розницу. Видим, что 5 кВт ячейка стоит от $20 тыс, т.е. 136 кВт у Mirai нам в розницу обошлись бы в, эээ, полмиллиона долларов. Скорее всего, у Тойоты себестоимость сильно ниже, но вполне вероятно, что одна только топливная ячейка в Mirai стоит Тойоте больше цены авто в $60 тыс. Это бы отлично объяснило, почему у Тойоты водородные “автомобили будущего” стабильно занимают доли процента в объемах продаж, и наращивать их производство концерн не спешит. Собственно, Хонда недавно признала, что их Clarity FCEV за $70 тыс - убыточен, и закрыла проект, а корейский Hyundai Nexo изначально продавался по заоблачной (но, видимо, более близкой к себестоимости) цене в $150 тыс.

Лестница Лайбрайха

Майкл Лайбрайх придумал отличную иллюстрацию градаций реализуемости водородной экономики в виде “лестницы”. Сверху лестницы он расположил отрасли промышленности, в которых без водорода не обойтись никак, т.к. он встроен в необходимые химические реакции. В самом низу - отрасли, в которых водород при любом реалистичном раскладе (т.е. исключаем Mr. Fusion) “не взлетит”.

И что же? Из транспорта наверх попали водный и авиационный транспорт (вряд ли там будет использоваться чистый водород, а вот синтентические топлива - вполне), а вот личный автотранспорт - в самом низу. Mirai 2 дороже Model 3 (по крайней мере, по MSRP - на водородомобили очень большие субсидии, так что в реальности Мираи может выйти и дешевле… но за счет налогоплательщиков), менее практичен (багажник в полтора раза меньше, и задний диван вовсе не складывается), унылее (разгон за 9 сек вместо 4.2), тяжелее, и выигрывает только в возможности заправки “за 5 минут”. Причем, заправка дома, на работе или у супермаркета становится недоступна, надо куда-то специально ехать.

И да, из-за текучести водорода бак Mirai постепенно теряет газ. Если машину оставить без присмотра надолго, бак опустеет за несколько недель, в то время как электричку вполне можно оставить на месяц-два без особых хлопот, а если подключить к розетке в гараже или на парковке - то и вовсе на сколько угодно.

Выводы

Итак, водород это очень дорого и не очень “чисто” в сегодняшних раскладах, а учитывая огромный прогресс в разработке батарей в последние годы - видимо, в обозримом будущем места для него тоже нет.