С момента выхода на рынок моделей Nissan Leaf в 2010 году и Tesla Model S в 2012 году автомобильная промышленность бросила все свои силы на разработку еще более эффективных аккумуляторных электромобилей.
Этот структурный сдвиг происходит с невероятной скоростью – в 2021 году в Китае было продано 3 миллиона аккумуляторных электромобилей, что отражает значительный рост по сравнению с 1 миллионом единиц годом ранее. В то же время в 2024 году в США прогнозируется двухкратный рост ассортимента моделей, представленных на рынке.
Однако, по оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), для того чтобы достичь глобальных целей в области борьбы с изменением климата автопрому потребуется потреблять в 30 раз больше минеральных ресурсов в год.
“Данные указывают на несовпадение между большими климатическими амбициями человечества и доступностью критически важных полезных ископаемых".
– ФАТИХ БИРОЛЬ, МЭА
К счастью, аккумуляторные электромобили – это далеко не единственное решение для декарбонизации транспорта. На этой инфографике мы рассказываем о принципах работы автомобилей на топливных элементах.
Как работает водородный топливный элемент?
Автомобили на топливных элементах являются одним из видов электромобилей, которые не производят вредных выбросов в атмосферу (если не считать экологические издержки от их производства). Их основное отличие заключается в том, что аккумуляторные модели оборудованы огромным аккумулятором, в котором хранится электричество, а автомобили на топливных элементах вырабатывают электроэнергию самостоятельно, используя водородные топливные элементы.
Рассмотрим функции основных компонентов автомобилей на топливных элементах подробнее.
Аккумулятор
Первым компонент – это литий-ионный аккумулятор, в котором хранится электроэнергия, питающая двигатель. В моделях с топливными элементами аккумулятор меньше, поскольку он не является основным источником энергии. Например, Tesla Model S Plaid оборудована 7 920 литий-ионными батареями, тогда как у водородной модели Toyota Mirai установлено всего 330 топливных элементов.
Бак для водородного топлива
У авто на топливных элементах есть бак, внутри которого хранится водород в газообразной форме. Жидкий водород неудобно использовать, поскольку для него необходимы сверхнизкие температуры (около -150℃). Газообразный водород и кислород – это два необходимых ресурса для работы водородного топливного элемента.
Батарея топливных элементов и электродвигатель
В топливном элементе для выработки электроэнергии используется газообразный водород. Если объяснять простым языком, газообразный водород проходит через топливный элемент, где он разделяется на протоны (H+) и электроны (e-).
Протоны проходят через электролит, который представляет собой жидкий или гелевый материал, а электроны, в свою очередь, не могут пройти через него, поэтому они покидают топливный элемент. В результате этого вырабатывается электрический ток, питающий двигатель.
Выхлопная система
На заключительном этапе процесса в топливном элементе электроны и протоны встречаются и смешиваются с кислородом. Это вызывает химическую реакцию, в результате которой образуется вода (H2O), которая затем выходит наружу через выхлопную систему.
Какая технология победит?
Как можно увидеть по иллюстрации ниже, большинство автопроизводителей сосредоточились на производстве аккумуляторных электромобилей. Заметным "чужаком" этой тенденции является японская корпорация Toyota – ведущий автопроизводитель мира.
Водородные топливные элементы подвергались критике со стороны многих известных фигур в отрасли, включая генерального директора корпорации Tesla Илона Маска и главы немецкого автоконцерна Volkswagen Герберта Дисса.
"Зеленый" водород необходим для сталелитейной, химической, аэрокосмической и других отраслей промышленности, и его нельзя тратить на заправку авто. Он очень дорогой и неэффективный. На внедрение таких технологий уйдет много времени, и это топливо трудно транспортировать".
– ГЕРБЕРТ ДИСС, председатель правления Volkswagen Group
Toyota и Hyundai видят идею водородного топлива с совершенно другой стороны и продолжают инвестировать в развитие технологии топливных элементов. Однако разница между ними заключается в том, что Hyundai и дочерний бренд Kia ранее все же выпускали несколько аккумуляторных моделей.
Это удивительное упущение со стороны Toyota, которая стала первопроходцем в массовом производстве гибридных авто, таких как Prius. Было бы разумно предположить, что следующим шагом после успеха модели Prius должно было стать производство аккумуляторных электромобилей. Однако Toyota направила весь свой запас чипов на разработку водородных моделей, игнорируя тот факт, что большинство остальных автопроизводителей движутся в совершенно ином направлении. Осознав свою ошибку и пытаясь выиграть для себя время, компания даже предпринимала попытки выступить против перехода на электромобили.
Как бы то ни было, релиз первого аккумуляторного электромобиля японского производителя – кроссовера Toyota bZ4X, состоялся в 2023 году – десять лет спустя после старта продаж Tesla Model S.
Трудности на пути внедрения топливных элементов
На пути повсеместного внедрения автомобилей на водородных топливных элементах стоит ряд препятствий.
Одно из них связано с эффективностью функционирования технологии в конкретной модели автомобиля, хотя обычно разница невелика. Что касается максимальной дальности хода, Toyota Mirai, работающая на водороде элементах, может преодолеть на одном заряде 647 километров, а самая дальнобойная аккумуляторная модель Lucid Air способна проехать 812 километров.
Две более существенные проблемы касаются эффективности использования водорода и очень ограниченного числа заправочных станций. Согласно Министерству энергетики США, на территории всей страны расположено всего 48 станций заправки водородом, при этом 47 из них находятся в Калифорнии, и одна на Гавайях.
Если говорить об инфраструктуре для аккумуляторных электромобилей, то для них на территории США функционирует 49 210 зарядных станций, и, кроме того, их можно заряжать прямо дома. Нет сомнений, что расширение этой инфраструктуры продолжится, поскольку администрация Байдена выделила 5 миллиардов долларов США на строительство новых станций для подзарядки аккумуляторных авто.
