Транспорт на водні: чи реалістичні перспективи для світу й України?
Водневий транспорт став одним із новітніх трендів в розвинутих країнах світу у боротьбі зі шкідливими викидами в атмосферу і, назагал, у протидії глобальному потеплінню. Втім, сьогодні йдеться радше про експериментальні, «модельні» проєкти, оскільки в економічному сенсі авто на водневих двигунах є наразі «дорогим задоволенням». Наскільки реалістичним виглядає впровадження і розвиток новітнього транспорту в розвинутих державах й Україні в найближчі роки, зважаючи на численні «за» і «проти»?
Авто на водневих двигунах: плюси й мінуси
Вже сьогодні чимало експертів галузі наголошують на тому, що водневі авто мають серйозні переваги не лише над «брудними» дизельними авто, а й над електрокарами – адже, заряджуються набагато швидше і вважаються більш практичними для комерційного застосування. До того ж відпадає необхідність у створенні недешевої системи з переробки акумуляторів, яка ефективно налагоджена навіть не в усіх розвинутих країнах.
Головні плюси авто на водневому паливі випливають з особливостей цього двигуна. Якщо стисло, то водневий паливний елемент є електрохімічним пристроєм на кшталт батарейки, який виробляє електрику за допомогою хімічної реакції між воднем і киснем. Останній видобувається прямо з атмосферного повітря за допомогою фільтруючої компресорної установки, розміщеної на борту авто.
Беззаперечною перевагою водневого двигуна є його екологічність. Викид шкідливих речовин практично нульовий, адже виділяється тільки вода, енергія і тепло, тоді як навіть при успішно організованому процесі спалювання традиційного палива неминуче утворюються оксиди азоту, сірки, вуглецю та інші шкідливі продукти згоряння. А отже, перехід на водневі авто може суттєво знизити залежність національних економік від вуглеводнів, а надто – від диктату з боку провідних нафтових держав.
Назагал же, водень – надзвичайно енергоємне паливо: 1 грам водню дозволяє отримати втричі більше енергії в порівнянні з 1 г бензину. Так, водневий автомобіль зможе проїхати на 1 кг водню в 2,5-3 рази більше, ніж на еквівалентному йому за енергоємністю та обсягом галоні (3,8 л) бензину.
Окрім того, перевагою водневих авто є не лише компактність і безшумна робота двигуна під час генерації, але й швидка заправка. Нові технології дозволяють залити бак з воднем набагато швидше, ніж заряджатиметься будь-який електрокар, і практично так само швидко, як відбувається заправка бензином (до 5 хвилин). До того ж, робочі температури водневого елемента достатньо низькі і можуть перебувати в діапазоні від 80 до 100 градусів, залежно від типу елемента, в той час як температура в «ординарному» двигуні внутрішнього згоряння доходить до 2 300 градусів.
Водночас, існують інші важливі плюси водневого авто: так, запас ходу становить 500-600 км, що перевищує відповідні показники для будь-якого електромобіля. До речі, різниця з бензиновими авто – не така вже й велика, адже у більшості з них дальність поїздки з повним баком не перевищує 800-900 км. Експерти галузі не виключають, що з розвитком відповідних технологій водневі авто можуть через кілька років зрівнятися за цим показником з легковиком на ДВЗ.
Разом із тим, у контексті водневих авто існують вельми серйозні негативи, які є серйозними перепонами до їх масового виробництва й експлуатації навіть у розвинутих країнах.
По-перше, це – аж надто висока вартість водневого палива. Так, у США галон бензину коштує близько 3,1 дол., а еквівалентний йому 1 кг водню – 8,6 дол. Наприклад, заправка бака одного з перших легкового авто на водні "Toyota Mirai" 5 кг водню, що вистачить на 700 км, коштуватиме аж майже 50 дол. Водневі батареї містять платину – один із найдорожчих металів у світі. Додаткові заходи безпеки також роблять двигун дорогим: зокрема, необхідні високовартісні спеціальні системи зберігання та баки з вуглепластику, щоб уникнути вибуху.
По-друге, нерозвиненість інфраструктури – навіть у порівнянні з електрокарами. Для заправки воднем потрібні спеціальні станції, які коштують набагато дорожче, ніж звичайні. Навіть у багатій Німеччині, яка робить ставку на водневі технології, сьогодні працює трохи більше 100 заправних станцій. Хоча, за прогнозом автогіганта "Daimler", їхня кількість до 2024 року має збільшитися в чотири рази.
По-третє, низькі обсяги видобутку «зеленого» водню за допомогою електролізу і відновлювальних джерел електроенергії, що є найбільш екологічною технологією (втім, водночас, і надто дорогою – до 79 дол. за МВт). До 95% сировини для водневого палива сьогодні одержують з копалин. Крім того, при створенні палива використовують паровий риформінг метану, для якого потрібні вуглеводні. Тож, і тут виникає залежність від природних ресурсів, окрім тих же таки додаткових викидів вуглекислого газу. Існує так само відносно «чиста» технологія видобутку водню за рахунок термохімічного процесу, що реалізується на кількох електростанціях нового покоління в США, Японії і Китаї, проте це скоріше – непромислові масштаби, оскільки ця технологія – аж надто складна і дорога.
І, по-четверте, високі ризики. Для використання у двигунах водень стискають у 850 разів, через що тиск газу досягає 700 атмосфер. У поєднанні з високою температурою це підвищує ризик самозаймання. До того ж, водень має високу летючість, проникає навіть у невеликі щілини і легко спалахує. Так, у червні 2019 року витік водню призвів до вибуху на заправці в Норвегії. Сила ударної хвилі була порівнянна із землетрусом у радіусі 28 км. Після цього випадку водневі АЗС у Норвегії на певний період заборонили – до завершення нових випробувань. Виробник установки – компанія "Nell" – тоді оголосив, що причиною аварії є помилка в зборці – неправильно встановлена заглушка в баку з воднем в резервуарі з високим тиском.
«Водневі» кейси: всі види транспорту?
Тим не менше, попри наразі технічно не усунуті негативи й ризики, проєкти водневого транспорту в провідних країнах світу починають розглядатися не лише як модельні й експериментальні, а як серйозна, вже чинна екологічна альтернатива «брудним» транспортним засобам (в тому числі на двигунах внутрішнього згорання) практично в усіх різновидах цієї галузі.
За експертними оцінками, в усьому світі нараховується лише 35 000 авто на водні, при цьому працює всього 400 станцій заправки воднем, більшість з яких фінансуються за рахунок публічних коштів. Темпи поповнення цього специфічного автопарку так само наразі не вражають. Так, за даними асоціації "Hydrogen Mobility Europe" на січень ц. р. — з 2016 р. — в 10 європейських країнах з'явилося всього лише 630 авто на водневих паливних елементах, а в восьми країнах ЄС –тільки 37 нових водневих станцій заправки.
Втім, аналітики з глобального об'єднання "Hydrogen Council" нещодавно озвучили сміливий прогноз, згідно з яким світові обсяги виробництва авто на водневих двигунах, складуть від 3 до 5 мільйонів одиниць, а до 2030 р. – від 10 до 15 млн штук., які заправлятимуться на 10 тис. водневих АЗС. Також оприлюднюються прогнози, що кожен 12-й автомобіль, який продаватиметься в Німеччині, Японії і Південній Кореї працюватиме на водні. Водночас, вже чинні кейси практичного використання таких машин у світі дають обережні підстави для такого оптимізму.
Так, восени 2018 р. два водневі потяги "Coradia iLint" виробництва французького концерну "Alstom" почали регулярні пасажирські перевезення в Німеччині на маршруті між містами Букстехуде та Куксхафен у Північній Німеччині – на неелектрифікованій ділянці. У режимі тестування протягом 18 місяців пробіг потягів становив 180 тис. км., – при повній заправці водневих баків поїзд може подолати близько 800 км. В цілому, випробування пройшли успішно, і водневі потяги з березня 2022 року увійдуть до промислової експлуатації на маршрутах Нижньої Саксонії.
Ще одним серйозним фактором стало майже завершене будівництво в Бремерверде стаціонарної заправної станції для водневих поїздів потужністю 1 600 кг в день, що уможливить цілодобову заправку 14 регіональних потягів вже цього року. Назагал, уряд землі Нижня Саксонія замовив у "Alstom" 14 водневих локомотивів, 27 локомотивів вирушать до Гессена, інші федеральні землі вже провели або проводитимуть тест-драйви. В цілому, уряд Німеччини виділив на впровадження водневих потягів більше 80 млн євро в рамках Національної інноваційної програми з технології водню і паливних елементів.
До речі, на даний час над власною розробкою водневого локомотиву працює концерн "Siemens", в якому прогнозують введення першого потягу в експлуатацію в Німеччині, починаючи з 2024 р. Державна залізнична компанія "Deutsche Bahn" вже погодила з концерном річний випробувальний період на ділянці між містами Тюбінгеном та Пфорцхаймом. Назагал же, за оцінками експертів, головний претендент на водень у Європейському Союзі – це дизельні тепловози, на які припадає близько 20 % залізничних перевезень в ЄС.
Першим (і, вочевидь, єдиним серійним) легковим авто з водневими паливними елементами стала гібридна модель 2013 р. – "Toyota Miari" (Японія). Цей водневий автомобіль не спричиняє жодних шкідливих викидів CO2, натомість замість вихлопних газів із труби виходить водяний пар. "Toyota Mirai" оснащений 1,3-літровим мотором, що працює на водні, максимальна швидкість становить 178 км/год, а розгін до сотні км/год не перевищує 9,6 секунд. До речі, виробник моделі подбав про безпеку водіїв: для авто створено унікальний каркас, який розподіляє ударну силу навколо салону і паливних елементів у випадку аварії.
Що прикметно: минулого року цей водневий седан встановив рекорд Гіннеса з найбільшого пробігу на одній заправці для машин із альтернативними паливними елементами. Легковик проїхав по Південній Каліфорнії більше 1 360, км витративши 5,65 кг водню. Попри те, що щорічно випускається 3 тисячі одиниць цієї моделі на рік, нещодавно в "Toyota" оприлюднили плани щодо збільшення протягом 5 років обсягів виробництва нового покоління цієї моделі до 30 тис. од. на рік.
При цьому, ціна "Toyota Mirai" на сьогодні залишається надто високою – так, у Німеччині ця модель продається за 80 тис. євро. Тому в самій компанії вважають наріжними потенційними покупцями водневого легковика таксомоторні компанії, сервіси з перевезення VIP-пасажирів, службові машини для великого бізнесу тощо.
До речі, нещодавно південнокорейський автогігант "Hyundai" також заявив про намір розробити версії на водневих паливних елементах для всіх лінійок комерційних авто до 2028 року. Причому, в компанії прогнозують, що до того часу ціни на ці легковики знизяться до рівня вартості електромобілів.
Водночас, значні перспективи вимальовуються в контексті використання водневих двигунів на водному транспорті – хоча наразі йдеться здебільшого про експериментальні моделі. Так, навесні минулого року японська компанія "Kawasaki" представила перший у світі танкер, призначений для перевезення зрідженого водню з Австралії, де він вироблятиметься, – в Японію, яка до 2050 року планує досягти нульових викидів парникових газів. Очікується, що перша партія зрідженого водню надійде до цієї країни вже поточного року. У спеціальному резервуарі об'ємом 1 250 кубометрів судно перевозитиме водень, охолоджений до мінус 253 градусів за Цельсієм. Водночас, основна силова установка цього танкера – три дизельні двигуни потужністю 1,32 МВт кожен, які також «споживають» водневе паливо.
Що прикметно: низка експертів вважає наразі найбільш перспективним напрямком використання водню на малих річкових судах, що курсують на порівняно невеликі відстані, вони можуть повністю працювати на водневих паливних елементах. Тоді як, наприклад, на океанських лайнерах сьогодні ця технологія є аж надто дорогою і економічно невиправданою – йдеться, скоріше, про її використання в сенсі допоміжних водневих двигунів. Водночас, як перспективні види палива в цьому сегменті розглядаються, зокрема, аміак, чи синтетичний метанол.
Використання водневих двигунів в авіаційних перевезеннях сьогодні реалізується винятково в експериментальному форматі, а серійний випуск і експлуатація таких екологічних літаків сприймається дещо футуристично. Річ у тім, що водень складніше та дорожче зберігати на борту, існують значні ризики в сенсі безпеки екіпажу й пасажирів. Також знадобляться роки, щоби створити необхідну інфраструктуру та обладнати аеропорти новими заправними станціями. Втім, у 2017 році в Китаї було створено перший двомісний літак на водневому паливі на базі електролітака "RX1E".
А нещодавно в Великобританії побудовано модельний авіалайнер, що працює винятково на водні і нібито зможе перевозити 270 пасажирів. Він оснащений двома турбовентиляторними двигунами та кріогенними баками для зберігання водню – в хвості та передній частині фюзеляжу. Нині авіалайнер проходить випробування. На розробку літака в рамках програми зі скорочення викидів вуглекислого газу "Fly Zero" британський уряд виділив 15 млн фунтів.
Замість висновків
Навряд чи є сумніви в тому, що Україні необхідно якомога більш раціонально скористатися з нового воднево-транспортного «порядку денного» в ЄС та інших розвинутих країн світу. На наш погляд, в цьому контексті слід врахувати кілька принципових позицій:
- експерти розраховують, що в перспективі 10 років водневі технології (найперше, собівартість виробництва «зеленого» водню) будуть поступово дешевшати (як це сталося в свій час в індустрії мобільних телефонів, «зеленій» енергетиці, виробництві електрокарів). Таким чином, українському уряду потрібно терміново спрацювати на перспективу і вже сьогодні зробити ставку на розвиток водневої енергетики й транспорту як на пріоритетні галузі (на кшталт IT-сфери) в національній економіці;
- Євросоюз в перспективі розглядає Україну як головного експортера енергетичного водню до провідних «водневих» країн Євросоюзу, плануючи інвестувати в водневу енергетику до 2030 року щонайменше 40 млрд євро. А отже, українська влада повинна використати цю перевагу для залучення інвестицій та імпорту найновіших технологій з ЄС, Японії та інших «водневих» держав для побудови заводів для виробництва «зеленого» водню, щоб у найближчі роки стати одним із провідних світових експортерів палива для всіх різновидів водневого транспорту;
- українському уряду вже сьогодні слід зробити акцент (найперше – відповідно скоригувавши Концепцію водневої енергетики та Дорожню карту виробництва та використання водню в Україні) на перспективі використання водневих потягів на неелектрифікованих залізничних шляхах «Укрзалізниці», яких більше 50 %; на річкових вантажних судах (тим паче, що уряд анонсував пріоритетність розвитку річкового транспорту в Україні); а також – в сегменті вантажного автотранспорту й муніципальних перевезень. Саме в цих напрямках, на думку міжнародних експертів, водневий транспорт в горизонті кількох років наближатиметься до показників рентабельності.
На наш погляд, розвиток водневого транспорту й супутньої інфраструктури в Україні виглядає цілком реалістичним, тим паче, що нещодавно в нашій країні зареєстровано перше водневе авто "Toyota Mirai", а держпідприємство «Зоря-Машпроект» розпочало розробку водневого газотурбінного двигуна. Втім, ясна річ, тут не обійтися не лише без іноземних інвестицій, а й без потужних «вливань» публічних коштів з боку держави.
