Представьте себе автомобиль, который не выделяет парниковых газов — в принципе, не загрязняет окружающую среду. В отличие от современных электромобилей, его не нужно заряжать час и дольше; вы просто заправляетесь и едете дальше.
Это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, но это реальность транспортных средств на водородных топливных элементах. И, как ни парадоксально, они почти никому не нужны.
Не поймите меня неправильно: водородные автомобили продаются по всему миру. Однако они, кажется, стремительно движутся к тупику: цены на топливо растут, продажи транспортных средств стагнируют, а заправочные станции закрываются.
Водородные топливные элементы работают путем соединения водорода и кислорода в химических реакциях, генерируя электричество, которое питает двигатель. Эти машины часто называют экологически чистой альтернативой в транспортном секторе, где остро не хватает новых решений. Транспорт является одной из главных мировых проблем в контексте изменения климата, отвечая примерно за четверть глобальных выбросов. У электромобилей все еще есть барьеры для массового внедрения, поскольку потребители обеспокоены запасом хода, временем зарядки и нехваткой зарядных станций.
Но хотя водородные автомобили предлагают еще одну альтернативу, эта технология в значительной степени не смогла завоевать популярность у водителей. Разберемся, почему так происходит и что должно измениться, чтобы эти машины имели хоть какой-то шанс выйти на дороги.
1. Они безнадежно отстали
Еще десять лет назад гонка за популярным безуглеродным транспортным средством была открыта для всех. Как отмечает Колин МакКеррахер, руководитель транспортной группы BloombergNEF: «Если вернуться в 2010-е годы, обе технологии — электрическая и на топливных элементах — обсуждались на равных».
Сегодня аккумуляторы являются явным лидером. В 2023 году мировые продажи аккумуляторных электромобилей (BEV) превысили 10 миллионов единиц, плюс около 4 миллионов подключаемых гибридов. За тот же период по всему миру было продано всего около 14 000 автомобилей на топливных элементах (FCEV). Это означает, что на каждый проданный водородный автомобиль приходилось 1000 проданных аккумуляторных.
Более того, разрыв увеличивается: продажи электромобилей выросли примерно на треть в 2023 году, в то время как продажи автомобилей на топливных элементах сократились примерно настолько же.
Продажи сосредоточены на нескольких рынках c развитой сетью заправок. Эти автомобили можно найти в основном в Китае, Южной Корее и Японии, а также в Германии и США (почти исключительно в Калифорнии).
Несмотря на отстающие продажи, некоторые автопроизводители по-прежнему поддерживают идею топливных элементов, в частности Toyota. «Мы давно занимаемся водородом», — заявил в 2023 году на мероприятии Всемирного экономического форума Гиль Пратт, главный научный сотрудник Toyota . Компания верит в водород как для топливных элементов, так и для двигателей внутреннего сгорания (которые сжигали бы топливо для выработки электричества), — добавил Пратт.
Легковые автомобили требуют базовой инфраструктуры поддержки. Для электромобилей это зарядные станции; водородным автомобилям нужны заправочные станции. Таким образом, преимущество аккумуляторов привело к тому, что основной фокус сместился на строительство зарядной инфраструктуры, и как только инфраструктура для одной технологии закрепляется, альтернативным вариантам становится сложнее занять свою нишу.
2. Они слишком дорогие
Часть причин, по которым потребители не спешат покупать водородные автомобили, связана с их стоимостью, считает МакКеррахер. Например, Toyota Mirai 2024 года, один из самых продаваемых водородных автомобилей на рынке, стоит около 50 000 долларов — дороже сопоставимых бензиновых и электрических аналогов. Некоторые государства пытаются стимулировать спрос: в Южной Корее субсидии, предоставляемые национальным и местными властями, могут практически вдвое снизить стоимость нового автомобиля на топливных элементах для потребителей.
Сторонники топливных элементов утверждают, что им просто нужно нарастить объемы: когда продажи пойдут, затраты снизятся.
Существует прецедент для такого сценария. Цены на литий-ионные аккумуляторы резко упали по мере масштабирования производства. Разница в том, что в случае с аккумуляторами они уже использовались в коммерческой технологии; элементы, которые упаковывались в автомобили, были того же типа, что и в персональных устройствах, например, в камерах. Но для топливных элементов нет ничего подобного, отмечает МакКеррахер.
Тем временем поставки литий-ионных аккумуляторов продолжают расти, а цены на аккумуляторные блоки (наборы элементов, питающие электромобили) упали более чем на 80% всего за последнее десятилетие.
Дело не только в стоимости самого автомобиля. Топливо тоже дорогое — на одну и ту же поездку водородное топливо обходится дороже, чем электричество или даже бензин.
Недавний анализ отраслевого издания Hydrogen Insight показал, что после повышения цен на водород в Калифорнии, стоимость поездки на Toyota Mirai оказалась почти в 14 раз выше, чем на сопоставимом Tesla Model 3 (электромобиль) в этом штате. Разница не так разительна повсеместно, но общая тенденция сохраняется: водород — более дорогой вариант.
3. Инфраструктура отсутствует
Одним из центральных преимуществ автомобилей на топливных элементах является скорость и простота заправки на станциях. Однако строительство этих станций оказалось непростой задачей.
Пратт из Toyota указал на эту проблему на мероприятии ВЭФ, назвав водородную инфраструктуру «проблемой курицы и яйца». По сути, сегодня спрос на водородные автомобили низок, потому что не хватает заправочных станций, а спрос на станции низок, потому что на дорогах мало водородных автомобилей.
«Мы уверены, что инфраструктура появится», — сказал Пратт, ссылаясь на растущую поддержку со стороны правительств и потребность в водороде в промышленности.
В целом, мировая инфраструктура водородных заправок демонстрирует скромный рост, но в некоторых ключевых регионах, включая водородный анклав Калифорнии, ситуация ухудшается. Shell закрыла все свои водородные заправочные станции для легковых автомобилей в штате в начале этого месяца, хотя компания продолжит обслуживать некоторые станции для большегрузного транспорта. Это последовало за аналогичными закрытиями по всему штату в конце 2023 года.
Аккумуляторные автомобили также сдерживались инфраструктурными ограничениями. Но главное различие в том, что зарядить автомобиль можно практически везде, где есть электрическая розетка, а электричество питает почти все наши здания. Поэтому ранние пользователи имели возможность заряжаться даже при отсутствии общедоступных быстрых зарядных устройств, в то время как водородные автомобили полностью зависят от заправочных станций со всей их логистикой.
4. Технология неэффективна
Еще одна проблема топливных элементов заключается в том, что они просто менее эффективны, чем аккумуляторы.
При преобразовании энергии из одной формы в другую всегда происходят потери. В случае с литий-ионными аккумуляторами это означает преобразование электричества в химическую энергию при зарядке и обратно при разрядке. Примерно 10% электричества, потраченного на зарядку аккумулятора, теряется в процессе, что обеспечивает КПД около 90%.
Водородные топливные элементы теряют значительно больше энергии. Путь от электричества до водорода через электролиз (об этом процессе ниже) приводит к потере около 30%, — говорит Герт де Кок, менеджер по электроэнергии и энергетике Европейской федерации транспорта и окружающей среды.
Затем еще 20% изначального вклада электричества теряется при обратном преобразовании, что делает общий КПД процесса около 50%.
Эти потери будут иметь долгосрочные последствия для стоимости и доступности водородного топлива. Если вы выбираете между использованием того же количества возобновляемой энергии для прямой зарядки электромобиля и преобразованием ее в водород для использования в автомобиле на топливных элементах, разница в том, как далеко зайдет эта энергия, огромна.
5. Чистого водорода не хватает…
В настоящее время водород — это не решение проблемы декарбонизации, а скорее проблема, по словам де Кока. Это потому, что почти весь водород, производимый сегодня (в основном для химической промышленности, удобрений и нефтегазовых операций), производится с использованием ископаемого топлива. Таким образом, хотя сам автомобиль с топливными элементами не будет выбрасывать парниковые газы, производство водородного топлива, которое он использует, часто сопряжено с загрязнением климата.
Существуют способы получения водорода с меньшими выбросами, в том числе с использованием устройств, называемых электролизерами, которые питаются электричеством. Если это электричество поступает из возобновляемых источников, водород может стать низкоуглеродным способом хранения и передачи энергии. Другие разрабатываемые методы производства водорода включают улавливание углерода, что также может снизить выбросы, связанные с топливом, хотя многие эксперты обеспокоены эффективностью этих технологий. Но в любом случае, низкоуглеродного топлива, вероятно, не хватит на всех желающих.
6. … И существуют более приоритетные способы его использования
По оценкам Международного энергетического агентства (IEA), производство водорода с низким уровнем выбросов может достичь 38 миллионов метрических тонн к 2030 году, если все проекты на ранней стадии будут реализованы, согласно «Глобальному обзору водорода 2023». Это значительная часть текущего мирового спроса, который в 2022 году составил 95 миллионов метрических тонн.
Однако низкоуглеродный водород позиционируется как решение практически для каждой отрасли: от авиации и судоходства до тяжелой промышленности. И легковые автомобили, согласно де Коку, могут быть одним из худших вариантов использования чистого водорода.
С точки зрения приоритета, вершиной списка должна быть замена существующего использования водорода, например, в производстве удобрений и других химикатов. Далее следуют нужды тяжелой промышленности, такие как производство стали. В список также следует включить сложные задачи, такие как дальние авиарейсы и маршруты доставки, добавляет он.
Легковые автомобили находятся в нижней части списка, поскольку для них уже существуют работающие альтернативы — а именно, электромобили.
Да, но…
Это не значит, что водород полностью исключен с дорог. Топливо может оказаться полезным в более технологически сложной сфере: большегрузные грузовики дальнего следования. На мероприятии ВЭФ Пратт заявил, что Toyota в первую очередь нацелена именно на эти транспортные средства: «Мы видим их будущее в основном в более крупных транспортных средствах, где время перезарядки или дозаправки имеет большое значение».
Поскольку аккумуляторы тяжелые, они ограничивают потенциальную полезную нагрузку, которую могут перевозить такие машины, что делает их неидеальным вариантом. Длительное время зарядки и дефицит высокомощных зарядных устройств, необходимых для питания массивных батарей, также являются препятствиями.
«Сегмент большегрузных перевозок на дальние расстояния — более перспективное применение для водорода, но и здесь нет никакой гарантии», — заключает МакКеррахер.
Если водород все же «выстрелит» в сфере дальнемагистральных грузоперевозок, существует вероятность, что эффект распространится и на другие виды транспорта, говорит Сергей Пальцев, заместитель директора Совместной программы MIT по науке и политике глобальных изменений. «Но это не произойдет в одночасье», — добавляет он.
А тем временем зарядные устройства для электромобилей и сама аккумуляторная технология могут оказаться слишком сложными для замены, когда и если водородная заправочная инфраструктура начнет появляться для более крупных транспортных средств.
Так что, пора ли забыть о водородных легковых автомобилях? Как выразился де Кок: «Мы считаем, что рынок уже определился».
