Топливо будущего для автомобилей
Чем заправить авто из будущего?
Крупнейшие мегаполисы мира встречают вас серым видом: застывший над городом тяжелый смог, образованный выхлопными газами.
Наряду с задымлением, в воздух выделяется углекислый газ, изменяющий наш климат на Земле.
Также многие государства задумываются об энергетической независимости.
Не волнуйтесь, автомобиль не исчезнет. Как раз когда вы читаете, сегодняшние ученые исследуют топливо будущего. На чем будут работать двигатели завтрашних автомобилей? Рассмотрим трех самых многообещающих кандидатов.
Водород – топливо космической эры
На бумаге водород – весьма многообещающее горючее, но высокая стоимость и проблемы с хранением не дают возможности его широкого использования в ближайшем будущем.
Когда ученым понадобилось топливо для космической отрасли, они обратили внимание на водород. Водородные топливные элементы использовались, чтобы привести в действие электронику в командных модулях, включая миссию 1969 года, в которой люди впервые высадились на Луну.
Энергоблоки хоть и выглядят необычно, тем не менее очень похожи на батареи. Они также производят электричество, что дает основание считать автомобиль, работающий на подобном элементе, электромобилем. Для выработки электроэнергии в топливных элементах взаимодействуют два химических вещества.
Могут использоваться и другие, включая метанол и этанол. Но, как правило, применяется водород, поскольку у него высокая энергоемкость на единицу веса, а побочным продуктом является вода. Поэтому, если у вас водородный автомобиль, можно пить его выхлоп.
Топливные элементы почти не ограничены размерами и могут применяться в различных транспортных средствах.
Но не все так радужно. К сожалению, у водородных топливных элементов есть серьезные недостатки.
Во-первых, энергия в них не хранится.
Во-вторых, нет больших естественных источников чистого водорода на Земле, в отличие от ископаемого топлива. Это означает, что он должен производиться с нуля. Также водород – очень энергоемкое вещество. Это преимущество становится и недостатком, так как требует больших затрат энергии для производства.
Несмотря на некоторые многообещающие новые технологии, сегодня в почти каждом мыслимом промышленном сценарии стоимость водорода превышает цену бензина.
Кроме всего, водород – газ. Для использования он должен находиться в сжатом состоянии при высоком давлении, что затрудняет хранение и транспортировку. Например, для сохранности 5 кг водорода нужен крупный 171 литровый бак, удерживающий газ при давлении в 340 раз превышающим атмосферное.
Заправка транспорта сжатым газом требует дорогой инфраструктуры. Водородная заправочная станция стоит приблизительно 2 миллиона долларов США. Добавьте затраты на транспортировку и производство водорода. Все это потребует значительных долгосрочных инвестиций.
Тем не менее многие автопроизводители создали прототипы автомобилей на водородных топливных элементах, включая Фиат, Фольксваген и BMW. А Пежо-Ситроен даже произвел работающий на водороде квадроцикл.
Батареи – высокое напряжение в реальности
Электромобиль – давняя мечта изобретателя. С правильным правительством и промышленной поддержкой он давно стал бы массовым. Есть много теорий заговора о том, что погубило «чистый» автомобиль. Но любая история об электромобилях должна начинаться с обсуждения энергоносителей.
После 20 летнего технологического пути сегодня золотым ребенком является литий-ионный аккумулятор. Он существенно легче, держит больше энергии и более эффективен, чем предшествующие ему батареи. Они используются во всей бытовой электронике.
Все же сегодняшние самые лучшие батареи вырабатывают существенно меньше энергии, чем водород или бензин. Средний запас хода электромобиля составляет 60 км. Поэтому технологии чистой энергии являются дополнением к традиционным.
Хотя возможности электромобилей постоянно расширяются. Например, Мини-E проезжает 240 км на одной зарядке. Но Мини-E – крошечный автомобиль с крупной батареей весом более 300 кг, из-за которой проектировщикам пришлось пожертвовать задними сиденьями.
Помимо ужасного модельного ряда, есть и другой недостаток. Аккумуляторы очень не спешат заряжаться.
Однако, чтобы справиться с различными проблемами внедряются технологические инновации. Израильская компания пошла по необычному пути: создание пунктов замены отработанных аккумуляторных батарей.
Другие решения включают внедрение мощных станций, где время заряда может быть снижено до тридцати минут. Также существует возможность зарядить специальные батареи всего за 10 секунд, используя очень высокое напряжение. Но если что-то пойдет не так, существует опасность получить серьезный вред здоровью.
В совокупности, вышеперечисленные технические проблемы убили первый электромобиль массового производства – EV-1 GM.
Все же прогресс не стоит на месте. Многие компании мира исследуют новые типы элементов для создания более энергоемких и простых в обслуживании аккумуляторных батарей. И недолог тот час, когда мы перестанем дышать городским смогом.
Биотопливо – мать-природа к спасению
Сегодня биотопливо уже используется. С дальнейшим развитием технологий и увеличением производства его применение будет только расти. Несмотря на все перспективы, воздействие на окружающую среду – предмет интенсивного обсуждения.
Биотопливо – любое топливо, полученное из биологических материалов, например, таких как щепа, сахарное или растительное масло. Биогорючее от традиционного отличается двумя важными свойствами.
При добыче и сжигании ископаемых энергоресурсов дополнительно выделяется углекислый газ и накапливается в атмосфере. А биотопливо изготовлено из сельскохозяйственных культур, использующих двуокись углерода из окружающей среды для фотосинтеза. Поэтому при использовании биотоплива новый углекислый газ не выделяется (нейтральный углерод), что не ведет к климатическим изменениям.
Кроме всего, для биогорючего сырье выращивается.
Но несколько экологических «грязных пятен» портят радужную картину.
Для превращения биологического материала в биотопливо необходим производственный процесс, требующий затраты энергии. И, если она не из возобновляемого источника, производство вызывает загрязнение.
Вторая проблема состоит в том, что замена ископаемого топлива в мире на биотопливо требует огромного количества новой биомассы. Это может значительно сократить мировые продовольственные запасы. Этанол традиционно производится из зерна. Есть непродовольственные источники, например, пальмовое масло. Но они часто влекут за собой уничтожение девственных лесов.
Направление получает значительную сумму правительственных субсидий, так как биотопливо совместимо с существующими двигателями внутреннего сгорания. Поэтому не требуется никакой новой инфраструктуры и автомобилей.
Производители сосредоточили усилия на создании этанола из целлюлозы, несъедобных частей растений. В этом два преимущества. Во-первых, отсутствует конкуренция с производством продуктов питания. Во-вторых, целлюлоза – самый богатый биологический материал на Земле.
Во многих странах используют биодобавки. Например, в Австралии этанол объединен с бензином в 10 процентную смесь, известную как E10. Почти все автомобили, сделанные после 1986 года, могут на ней безопасно ездить. Биодизель – другая топливная смесь (B10).
Какое будет топливо будущего?
Когда запасы ископаемых энергоресурсов сократятся до критических объемов, победит самая дешевая и быстрая в реализации альтернатива.
Поэтому биотопливо в настоящее время возглавляет гонку. Оно уже в продаже, широко используется и понижается в цене за счет роста производства. Электромобили едут вторыми с небольшим отрывом. Водородные автомобили без инфраструктуры плетутся на последнем месте.
Хотя внезапный технологический прорыв, такой как дешевый способ сохранять большое количество водорода, может изменить игру.
Электромобиль — не панацея: как изменится рынок топлива в будущем
Об эксперте: Никита Касьяненко, сооснователь «Лаборатории умного вождения».
Топливный плюрализм
В середине 2010-х годов многие страны официально заявили — будущее за электромобилями. Они обещали сократить объемы производства машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), предлагали льготы владельцам электрокаров и даже вводили ограничения на использование бензиновых и дизельных авто на отдельных улицах. Впрочем, большинство планов будут реализованы не раньше 2025 года. А пока автомобильная отрасль хоть и меняется, но не так стремительно, как прогнозировал Илон Маск и другие сторонники авто на электротяге.
Данные за первый квартал 2020 года показывают, что в большинстве стран Европы до сих пор преобладают автомобили на бензине и дизеле. Исключение — Норвегия, в которой доля электрокаров от общего числа новых машин уже превышает 50%. Альтернативные виды топлива в ЕС пока редкость — они занимают всего 1,9% рынка. При этом популярность автомобилей на газе и этаноле упала с апреля по июнь на 50%.
В российском топливном рейтинге также пока лидируют бензин и дизель: по данным «Автостата», менее 6% автовладельцев пользуется пропаном и метаном, а также другими видами топлива — в эту категорию попадают и электрокары.
А вот в Латинской Америке альтернативное топливо пользуется большим спросом. Например, в Бразилии машины на этаноле не уступают по популярности бензиновым авто. Интересно, что ставку на биотопливо из сахарного тростника государство сделало еще в 1970-е годы, впоследствии госпрограмму постоянно корректировали, учитывая колебания цен на бензин. Если он дешевел, цены на этанол тоже снижались. Также в 1990-е власти поддержали развитие FlexFuel-автомобилей, которые можно заправлять как смесью бензина и этанола, так и чистым бензином.
Пример Бразилии показывает — вектор развития топливного рынка можно менять, но для этого недостаточно одной госпрограммы или однократного введения льгот. Это подтверждают кейсы других стран, которые запускали инициативы в поддержку электрокаров, но со временем сворачивали проекты или ограничивали их применение.
Так, в конце 2019 года Tesla достигла порога в 200 тыс. проданных электромобилей на рынке США — после достижения этого лимита покупатели больше не могли получать налоговые бонусы. Льготные периоды подходят к концу и в других странах: например, в Китае размер субсидий на покупку электрокаров сокращается с каждым годом. В 2020 году он уменьшится на 10%, а в 2022 году — уже на треть.
На тенденции в отдельных странах влияют не только инициативы правительства, но также доступность природных ресурсов, развитие инфраструктуры (наличие АЗС и станций подзарядки) и общий уровень благосостояния жителей. Из-за этой комбинации факторов сложно прогнозировать, какой вид топлива станет пользоваться наибольшим спросом в будущем — скорее всего, картина будет не однородной.
Часть развитых стран перейдет на электромобили, часть сделает ставку на биотопливо, но многие продолжат пользоваться автомобилями с ДВС на бензине и дизеле, которые станут более экологичными. Но задача у всех общая — сократить количество выбросов CO2 и замедлить темпы глобального потепления. Разберемся, какие виды топлива укрепят свои позиции в будущем и почему электрокары — это не панацея.
Электрокары и гибриды: светлое будущее или скрытая угроза?
По прогнозам компании BloombergNEF (BNEF), к 2040 году доля электрокаров от числа проданных авто составит 58%. При этом автомобили на электротяге составят лишь треть от общего количества машин на дорогах в мире. На процесс влияет сразу несколько факторов:
Другие исследования показывают, что в среднем при производстве бензинового авто генерируются выбросы, равнозначные 5,6 т CO2. В случае с электрокаром показатель уже составляет 8,8 т — и половина вырабатывается в процессе производства аккумуляторов. Решить проблему могут новые технологии, которые минимизируют углеродный след и позволят выпускать более долговечные батареи с использованием экологичных материалов.
Но в регионах, в которых возобновляемые источники энергии пока не распространены, EV вряд ли получат широкое распространение в ближайшие годы. Это касается России и ряда других стран, например, Мексики, Японии и Австралии.
Биотопливо: отходы и водоросли
Этанол, FlexFuel, биодизель и биогаз, — все эти технологии уже позволяют получать эффективную альтернативу бензину, используя растительные компоненты, сельскохозяйственные отходы и даже отходы жизнедеятельности человека. Экологичность — главное преимущество биотоплива. Растения, которые используются для получения необходимых веществ, поглощают CO2, нейтрализуя тем самым углеродный след.
Еще один плюс биотоплива — это наличие готовой инфраструктуры. Заправиться «водорослевым дизелем» в теории можно на обычной АЗС — для этого не требуется специальное оборудование.
Проблема заключается и в автомобилях — не каждому транспортному средству подходит такой вид топлива. Например, популярный биоэтанол E85 (смесь спирта и бензина) при сравнимых объемах приводит к большему расходу топлива, чем чистый бензин.
Популярность биотоплива в будущем зависит от появления новых производственных технологий. Так, в Дании тестируют автомобили на бензине с добавлением водорослей. Пока растительный компонент составляет всего 10%, но ученые надеются увеличить его долю. Водоросли, в отличие от сахарного тростника, не требуют земельных ресурсов, их не нужно удобрять и обрабатывать от вредителей, поэтому они наносят меньший вред окружающей среде. Пока использование водорослевого топлива экономически не целесообразно, но если исследователям удастся оптимизировать технологию, у нее есть шансы на успех.
Водород: неоправданные надежды
Еще десять лет назад водородные автомобили ставили в один ряд с перспективными электрокарами, но технология не оправдала ожиданий. Машины с топливными элементами все еще обходятся слишком дорого, а в большинстве стран нет заправочной инфраструктуры. Недавний провал компании Nikola Motors, обещавшей выпустить партию водородных грузовиков и построить сеть заправочных станций по всей Америке, только усилил разочарование в технологии.
Самый крупный рынок водородных авто — это как раз США, хотя с 2012 года в стране было продано всего 8 тыс. машин с топливными элементами. Водить автомобиль на водороде можно только в Калифорнии, где сосредоточено больше всего заправочных станций. И даже несмотря на умеренный спрос, в штате периодически возникает дефицит водорода, и автовладельцы не могут заправить автомобили.
С точки зрения экологичности водородные автомобили тоже вызывают вопросы: по большинству параметров они проигрывают электрокарам, хотя стоят на порядок дороже. Всего на рынке доступно три модели авто на водороде, и отсутствие разнообразия тоже не идет на пользу отрасли. Многие автопроизводители сворачивают разработки — например, Mercedes-Benz, потратив 30 лет на исследования, решила не выпускать пассажирские автомобили на топливных элементах, поскольку их производство обходится в два раза дороже электрокаров.
Перспективы водорода на топливном рынке пока оставляют желать лучшего. Многое опять же зависит от технологий производства — использование инновационных методов, например, электролиза с использованием возобновляемых источников энергии, могло бы заинтересовать крупных игроков. Но пока рынок стоит на месте, а автовладельцы задумываются о покупке водородного авто в последнюю очередь. Впрочем, топливные элементы могут пригодиться в других сферах — например, при производстве мусоровозов или паромов.
Газ, бензин и дизель: умное управление топливом
Классические виды топлива в будущем вряд ли полностью исчезнут — по крайней мере в России. Но со временем они станут более экологичными и энергоэффективными. На рынке уже распространены гибриды, например, range-extenders — электрокары со встроенным ДВС, который продлевает запас хода, если батарея садится. Вероятно, именно такие гибридные модели выйдут на передний план в будущем.
Развитие подключенных автомобилей и телематики также позволит сократить расход топлива и более эффективно отслеживать его потребление. Современные системы уже помогают мониторить топливную статистику, а в будущем они смогут оптимизировать затраты ресурсов.
Исследования показывают, что умный мониторинг поведения водителя с последующей аналитикой может сократить количество выбросов на 5-20%. В первую очередь, добиться этого помогают системы, которые препятствуют внезапному торможению. Водитель делает меньше резких маневров — расходуется меньше топлива.
Еще один вспомогательный инструмент — продвинутая система навигации, которая подбирает не только самый короткий, но и наименее «энергозатратный» маршрут, а также помогает быстрее находить свободные парковочные места.
Подключенные системы оптимизируют работу не только легкового, но и грузового транспорта. Например, грузовые «конвои» способны на треть сократить затраты топлива. Использование машинного обучения и нейросетей в будущем еще больше упростит задачу — полуавтономные системы будут работать в фоновом режиме, минимизируя расход бензина или дизеля.
Развитие беспилотного транспорта и каршеринга, вероятно, тоже приведет к сокращению потребления топлива — машины будут меньше простаивать на стоянках и использоваться более эффективно.
Автомобильный сектор в силу своей специфики достаточно консервативен — автопроизводитель не может за пару месяцев переформатировать конвейер на заводе или перенастроить цепочку поставок. Поэтому переход на новые виды топлива займет больше времени, чем полагают аналитики. Цифровые решения, например, системы умного мониторинга, внедрить намного проще — это не требует так много времени и ресурсов. Поэтому топливная революция начнется с аналитики и развития подключенных систем, а не с футуристичных топливных элементов или биодизеля на основе водорослей.
Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.
Топливо будущего: в каких видах транспорта водород используется уже сейчас
На протяжении всей истории человечества мобильность выступала верным индикатором прогресса. От колеса, конной тяги и парового двигателя до двигателя внутреннего сгорания и электробатареи – с появлением новых средств передвижения жизнь человека выходила на качественно новый уровень. Одно из многообещающих решений на этом пути – водородная энергетика.
Использование водорода в качестве топлива – идея не столь новая: способность этой молекулы производить большое количество энергии была открыта еще в XIX веке. Им можно заправить как двигатель внутреннего сгорания, так и газотурбинный двигатель, но из-за ограничений, которые он накладывает на работу этих механизмов, и возможных неблагоприятных последствий для окружающей среды водород сегодня преимущественно используется в специальных топливных элементах.
В них происходит элементарная электрохимическая реакция, которая позволяет водороду высвобождать энергию, оставляя после себя лишь водяной пар. Эта энергия, в свою очередь, превращается в электричество, которое питает электродвигатель, приводящий транспортное средство в движение.
Главное преимущество этого вида топлива – отсутствие выхлопных газов и шума. Этим же могут похвастаться и электромобили, но в отличие от них, автомобилям на водороде достаточно пятиминутной заправки, чтобы подготовиться к длительному путешествию на более чем 500 км. И что немаловажно, эффективные способы производства этого топлива уже давно освоены.
У водородного топлива огромный потенциал, и убедиться в этом можно, взглянув на то, как его используют на различных видах транспорта уже сейчас.
Водородные автомобили
Первые автомобили на водородных топливных элементах появились на рынке в 2013 году Большую ставку на эту технологию сделали азиатские автогиганты, и сейчас водителям доступны три водородные модели: Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Clarity.
По данным Международного энергетического агентства, на конец 2018 года в мире насчитывалось 11 200 водородных автомобилей, и их продажи в тот год возросли на 80% в сравнении с 2017 годом.
Наиболее популярны эти автомобили в США (Калифорния), Японии, Южной Корее и Германии. Главным фактором распространения личного водородного транспорта является наличие соответствующей заправочной инфраструктуры, и неудивительно, что упомянутые выше страны являются также лидерами по числу водородных станций. Наращиванием инфраструктуры занимаются отнюдь не автопроизводители, а компании, для которых газы, и, в частности, водород, являются основой бизнеса.
Например, французская компания Air Liquide, мировой лидер в производстве газов, технологий и услуг для промышленности и здравоохранения, уже установила более 120 заправочных станций в Европе, Азии, Северной Америке и на Ближнем Востоке.
«Переход на водородное топливо – это уже не вопрос инноваций. У нас есть все необходимые технологии, чтобы его осуществить. Сейчас важно наращивать производственные мощности и выстроить полноценную заправочную инфраструктуру наравне с существующей «ископаемой», и здесь важна поддержка государства, а главное, инвесторов, заинтересованных в создании новых бизнес-моделей для эры чистого топлива», – говорит вице-президент Air Liquide по водородной энергетике Пьер-Этьен Франк.
В космос на альтернативном топливе
У водородного топлива есть перспективы и в общественном транспорте. Он заправляется централизовано и не нуждается в масштабной заправочной инфраструктуре. Водородные автобусы уже курсируют в нескольких европейских городах, включая Осло, Роттердам и Аргау, а регион Нижняя Саксония в Германии пошел еще дальше – там водородный поезд перевозит пассажиров по 100-километровому маршруту.
Для сознательных пассажиров в Париже есть целый таксопарк, полностью состоящий из водородных автомобилей. Компания под ярким названием Hype насчитывает 100 такси и планирует расширить свой парк до 600 автомобилей к 2020 году.
Водород также проникает в сферу складского транспорта. Им заправляют свои вилочные погрузчики Coca-Cola в США, Walmart в Канаде и Carrefour во Франции. Даже разъезжая по замкнутому пространству, эти машины накатывают километры ежедневно. В этой связи такое свойство водородного топлива, как экономичный расход, приходится очень кстати.
Использование водорода в качестве топлива не ограничивается наземным транспортом. В 2017 году в воды Мирового океана вышло судно будущего – Energy Observer. Его уникальность заключается в том, что его энергообеспечение осуществляется исключительно за счет природных ресурсов: энергии солнца, ветра и водорода, получаемого из морской воды.
Это своего рода плавучая лаборатория, где экологически чистые технологии тестируются и оптимизируются в экстремальных условиях. За шесть лет плавания команда Energy Observer обошла 50 стран и совершила 101 остановку, и их одиссея красноречиво говорит о надежности и целесообразности использования водородного топлива.
К таким выводам пришли и специалисты аэрокосмической отрасли. Хотя авиаконструкторы пока только подступаются к идее самолета на электродвигателе, возможность обеспечить его бортовые функции чистой дешевой энергией кажется слишком привлекательной, чтобы не попробовать.
Водород также способен помочь человечеству в его амбициях покорить космос: существует целое семейство ракет – Ariane – основным топливом для запуска которых, помимо жидкого кислорода, является жидкий водород.
Молекула водорода составляет основу жизни на планете. Как и движение. На дорогах, на складах, в море и небе водород показывает себя как серьезная альтернатива традиционным видам топлива. Его потенциал заметили и испытывают страны, города, автоконцерны, компании-производители газов и визионеры.