Обзор автомобильной промышленности на водородных топливных элементах

Участники рынка автомобилей на топливных элементах На сегодняшний день о своих разработках (или производстве) в данной отрасли объявили практически все крупные автопроизводители:

• Ford (Focus FCV);
• Honda (Honda FCX);
• Hyundai (Tucson FCEV);
• Nissan (X-TRAIL FCV);
• Toyota (Toyota Highlander FCHV);
• Volkswagen;
• General Motors (Chevrolet Equinox Fuel Cell, Hy-wire, Opel E-Flex);
• Daimler AG (Mercedes-Benz A-Class);
• BMW (Hydrogen 7)
• Mazda (RX-8 RE).

В таблице мы можем увидеть планы компаний по производству и внедрению автомобилей на топливных элементах:

Компания	Страна	Год	Количество автомобилей	Планы
Daimler AG	Германия - США	2015	10000	начальное проникновение
Daimler AG	Германия - США	2010	-	начало производства Mersedes B-class
Ford Motor Company	США	2015	-	коммерческая готовность
General Motors	США	2015	-	коммерческая готовность
General Motors	США	2025	-	массовый рынок
Honda	Япония	2008	-	начало продаж автомобиля Honda FCX в Калифорнии и Японии
Honda	Япония	2010	12000	начало производства
Honda	Япония	2020	50000	производство
Hyundai	Корея	2010	-	дорожные тесты в 2009г.
Toyota	Япония	2015	-	снижение цены до $50000
Fiat	Италия	2025	-	полная коммерциализация
SAIS	Китай	2010	1000	коммерческая готовность

Автомобили компании General Motors Автомобиль компании General Motors Chevrolet Equinox Fuel Cell удостоился высшей награды на автошоу Michelin Challenge Bibendum 2007 года в Шанхае за низкую токсичность и низкий уровень выброса углекислого газа.
Обладающий нулевой токсичностью отработавших газов и нулевым уровнем выброса углекислого газа электромобиль на топливных элементах Chevrolet Equinox Fuel Cell представляет собой полнофункциональный «кроссовер», который приводится в движение силовой установкой на топливных элементах четвертого поколения разработки компании GM. Его пробег на одной заправке, вычисленный по методике EPA, составляет порядка 320 километров.

Автомобили оснащены мощными электромоторами и никель-металлогидридными тяговыми аккумуляторами. Заряжаются же аккумуляторы от топливных элементов мощностью 93 киловатта, получающих водород из углепластиковых баллонов, где он хранится в сжатом (до 700 атмосфер) состоянии.

Одной заправки Equinox Fuel Cell (а это всего 4,2 килограмма водорода) хватает на 320 километров пробега.

Корпорация General Motors уже начала продвигать Chevrolet Equinox Fuel Cell - первого представителя семейства автомобилей последнего поколения; сухопутные войска США стали первым пользователем новейшей технологии топливных элементов, разработанной корпорацией General Motors.

Автомобиль на водородных топливных элементах Hy-wire General Motors начала разрабатывать в январе 2002 года. Компания заявила, что автомобиль будет готов к производству к 2010г.

Топливные элементы, автомобиля способны производить от 94 до 129 киловатт мощности непрерывно без дозаправки в течение коротких периодов. Максимальная скорость транспортного средства 160 км / ч.

GM также объявил об инвестициях миллиарда долларов в развитие Opel E-Flex. На выставке в Шанхае в апреле 2007 г. компания GM представила его концепт-кар с топливными элементами на водороде. Работая только на электротяге, автомобиль способен пройти около 55 километров.

А до 2010 года General Motors намерена построить, по крайней мере, 1000 водородных авто на топливных элементах.

FCX Clarity (Honda)

16 июня 2008 года компания Honda объявила о том, что было начато производство первой в мире серийной модели, работающей на водородном топливе FCX Clarity.

Автомобиль производится на заводе Honda Automobile New Model Center, который расположен в префектуре Тотиги, Япония. Honda FCX Clarity будет сдаваться в аренду жителям Калифорнии (США) уже с июля, а японцам с осени этого года. Ежемесячный лизинговый платёж в США составит $600, техобслуживание входит в эту сумму. Калифорния была выбрана не случайно — именно в этом штате наибольшее количество заправочных станций для таких автомобилей.

За три года планируется выпустить около 200 таких автомобилей. Первыми владельцами FCX Clarity станут известные во всем мире люди, среди которых продюсер Рон Йеркса, актриса Джейми Ли Кёртис и ее муж режиссер Кристофер Гест.

Honda FCX Clarity — автомобиль нового поколения, работающий на водородном топливе. Машина работает на электродвигателе, который получает электрическую энергию, вырабатываемую топливными ячейками. В атмосферу этот автомобиль выбрасывает лишь воду, а его показатели эффективности расхода топлива в три раза лучше характеристик машин с бензиновыми двигателями: на одном баке топлива автомобиль может проехать около 450 км, то есть на 115 км ему требуется 1 кг водородного топлива.

Новинка имеет силовую установку, работающую на ячейках, общая мощность которой достигает 134 лошадиные силы. Электроэнергию для электродвигателей агрегат получает в результате химической реакции между водородом и кислородом.

Hydrogen 7 (BMW Group)

BMW Group уже запустила програм­му CleanEnergy для распространения в разных странах водородных BMW -7.

Автомобили уже успешно продаются в Европе, Великобритании, Японии и США. Сейчас они уже проехали во всем мире более 2 млн. км.

К маю 2007г. BMW произвела 100 автомобилей Hydrogen 7. Из них 70 проданы в лизинг в Европе, а 25 в США.

Во второй половине 2007 г. поставки BMW Hydrogen 7 начались в Великобританию (8 экземпляров) и Японию (2 экземпляра).

В отличие от других водородных моделей, Hydrogen 7 не имеет топливных ячеек и электромоторов. Двигатель новинки может работать как на бензине, так и на водороде. Для двух видов топлива предусмотрены раздельные баки.

Полностью заправленная машина может проехать 680 километров, только на водороде – всего 200.

При работе на водороде мощность двигателя составляет 170 кВт. (228 л.с.), вращающий момент 337 Нм. При работе на бензине 12-цилиндровый двигатель развивает мощность 194 кВт. (260 лс.). Максимальная скорость 229 км/ч. Разгон до 100 км/ч за 9,5 сек.

Переключение с одного вида топлива на другое происходит автоматически, но предпочтение отдаётся водороду.

Автомобиль уже полностью готов к серийному производству, несколько экземпляров передали чиновникам и знаменитостям для тест-драйва. Компания запустила в США специальную программу BMW Hydrogen 7 Pioneer Program. По этой программе водородным BMW Hydrogen 7 управляли Б.Питт и А.Джоли во время премьеры фильма "13 Друзей Оушена", председатель компании Fox Entertainment П.Лигури,Р.Гир и Ш.Стоун и др. деятели кино. В Европе BMW Hydrogen 7 эксплуатирует Федеральный Министр Экономики и Технологий Германии, певцы А.Нетребко, П.Доминго и др.

В марте 2008г. BMW представила монотопливную версию BMW Hydrogen 7, работающую только на водороде.

Ford Focus FCV

Ford Motor Company в 2005г предоставил пять автомобилей Focus на топливных элементах (FCV) для программы тестов в Канаде. Эти пять Focus – первые созданные концерном автомобили на электротопливных элементах, полностью "готовые к употреблению".

Правительство Канады выделило 3 миллиона 700 тысяч долларов на данный проект, направленный на улучшение экологической ситуации. Полная же стоимость программы составляет 9 миллионов. Помимо правительства Канады и концерна Ford, в ней принимает участие канадская компания Fuel Cells Canada, производитель электротопливных элементов.

Tucson FCEV (Hyundai)

Во время ежегодного конкурса экологичных автомобилей Challenge Bibendum 2007 Hyundai. представила свою новую разработку в области экологически - чистого транспорта: водородный Tucson FCEV с питанием от топливных элементов. Автомобиль представлен в качестве прототипа, информации о запуске его в промышленное производство с последующей продажей на рынке пока нет.

Hyundai занимается разработкой водородных моделей с 2000 года, первый прототип SantaFe FCEV был представлен в октябре того же года.

Tucson FCEV стал вторым водородным автомобилем в линейке Hyundai после SantaFe FCEV, и первым. Двигатель машины адаптирован к работе в условиях отрицательных температур. Испытания показали, что мотор Tucson FCEV без проблем заводится после 5-дневного пребывания автомобиля на морозе -20 градусов по Цельсию.

Tucson FCEV собран из легких алюминиевых кузовных элементов и получил более мощный 80-киловаттный мотор, на 5 кВт больше, чем у предшественника. Он обеспечивает внедорожнику маскимальную скорость 150 км/час.

Технические характеристики, которых удалось добиться, ставят новинку в один ряд с разработками Toyota, VW, Daimler, Chrysler, General Motors, Nissan. Обладая электродвигателем мощностью 80 киловатт, «экомобиль» способен проехать на одной заправке почти 300 километров.

Разработкой водородных технологий южнокорейская компания занимается не в одиночку. Так, например, в 2008 году правительство страны инвестирует в развитие таких автомобилей $51,7 миллиона. Кроме того, Hyundai заручилась поддержкой солидных партнёров из Штатов: министерства энергетики США и нефтяной корпорации Chevron-Texaco.

X-TRAIL FCV (Nissan)

Nissan работает над разработкой автомобиля на топливных элементах с 1996 года. Кроме работ в области дизайна и инжиниринга, проводимых в Японии, интенсивные исследования ведутся на других рынках, прежде всего, в США, где компания Nissan является членом Калифорнийского сообщества по работе в области разработки топливных элементов. Работа компании Nissan на настоящий момент направлена на тестирование и демонстрацию.

Несмотря на гораздо более компактные размеры, новый блок может вырабатывать мощность до 90 КВт, что больше на 40% по сравнению с мощностью блока модели 2003 года. Благодаря такой мощности новая модель SUV FCV может развивать скорость до 150 км/ч. Модель 2003 года могла развивать скорость до 145 км/ч.

FCV также оборудован компактным цилиндрическим баллоном для хранения водорода, находящегося под давлением 35MPa, объем которого был уменьшен на 15%. Однако, благодаря модифицированному блоку топливных элементов, автомобиль может проехать на одной заправке 370 км, а не 350, как предыдущая модель.

Кроме того, Nissan также объявил о разработке X-TRAIL FCV с баллоном для хранения водорода под давлением 70MPa с запасом хода более 500 км, что больше в 1,4 раза по сравнению с моделью 2005 года.

Toyota Highlander FCHV

При создании этого автомобиля производители Toyota использовали алюминий, что позволило снизить вес автомобиля на 40 кг в сравнении с предыдущей разработкой. С целью улучшения скоростных характеристик и лучшей обтекаемости модели под кузовом FCHV были установлены разнообразные аэродинамические элементы и, как следствие, коэффициент обтекаемости снизился до 0,326. Модель FCHV оснащена также и топливосберегающими шинами.

Модель Toyota FCHV была создана на базе внедорожника Kluger. Оснащение автомобиля включает в себя гибридную силовую установку, аккумуляторные батареи и водородные топливные элементы. Модель также отличают повышенный уровень системы топливных батарей и увеличившийся срок их эксплуатации.

Toyota FCHV оснащена водородными баками высокого давления, аккумулирующими водород под давлением в 35 атмосфер. Такой автомобиль может проезжать без дополнительной заправки более 300 км пути. По мнению японских инженеров, этот результат не является пределом, и они работают над тем, чтобы его улучшить.

Разрабатываются в основном два направления: изучение действия сжиженного водорода в ходе функционирования автомобиля и проблема хранения водорода в поглощенном виде на борту. Совершенно новой является также и разработка производителями Toyota вентиля высокого давления, особенной формы, используемого внутренним клапаном соленоидного типа. Двигатель, установленный на Toyota FCHV, имеет мощность в 109 л.с. и позволяет развить скорость в 155 км/ч.

Особым пунктом при тестировании Toyota FCHV была система безопасности автомобиля. Гибрид прошел весь цикл испытаний на безопасность элементов энергоснабжения в самых экстремальных условиях. Системы безопасности в автомобиле функционируют таким образом, что в случае возникновения аварийной ситуации, специальные датчики блокируют клапаны бака, где находится водород под высоким давлением.

Руководство компании Toyota Motors уже получает заказы от крупных корпоративных клиентов на покупку модели Toyota FCHV. Автомобиль предполагается продавать по лизинговой схеме. На широкое внедрение своего экологичного авто руководство компании рассчитывает не ранее 2010 года.

Решение проблем обеспечения водородом

Одной из важнейших проблем, тормозящей массовое внедрение автомобилей на ТЭ — организация водородных заправочных станций. С одной стороны, нет необходимости в постройке новых заправок в связи с практически полным отсутствием автомобилей на водороде. А с другой стороны — нет смысла производить автомобили, если для них нет развитой инфраструктуры.

К началу 2007 года во всём мире функционировало более 140 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004-2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Количество построенных водородных заправочных станций по регионам представлено в таблице:

	1995-2006 (%)	Построено новых в 2005г. (%)	Построено новых в 2006г.(%)
Северная Америка	46	65	59
Япония	14	15	7
Германия	13	0	7
Другие страны ЕС	14	15	0
Остальные страны	13	5	27

Таким образом, наибольшее количество водородных заправок строится сейчас в США, что скорее всего связано с мощной государственной поддержкой таких инициатив.

В настоящее время планируется строительство:

• Водородное шоссе (Калифорния)— к 2010 году 200 заправочных станций на главных шоссе штата;

• Hi Way Initiative — водородное шоссе в штате Нью-Йорк;

• Водородный коридор (Канада) — 900 км. водородного коридора вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором;

• 2H2 — водородное шоссе Иллинойса;

• SINERGY — Сингапурская энергетическая программа;

• The Northern H (Канада,США). К 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы, Дакоты, Миннесоты, Айовы, Висконсина;

• New York Hydrogen Network: H2-NET (США) — 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало.

General Motor заявлял о возможных планах строительства 12 000водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Другим способом решения проблемы отсутствия водородной инфраструктуры являются домашние заправочные станции создаются как решение проблемы. Они могут производить 200 – 1000 кг водорода в год, что достаточно для заправки 1-5 автомобилей в сутки. Водород может производиться электролизом воды в ночное время. Это позволит сгладить пики потребления электроэнергии.

В    дополнение    к    автомобилю своему водородному автомобилю, Honda предоставляет Домашнюю Энергетическую Станцию ( HES ). Эта установка производит водород из бытового природного газа. Ее топливные элементы генерируют 5 кВт электроэнергии    для    бытовых нужд    и тепло для обогрева дома. Часть водорода направляется на заправку автомобиля.

Британская компания ITM Power разработала и испытала в 2007г. бытовой электролизёр для производства водорода. Электролизер мощностью 10 кВт. производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода достаточно для 40 км. пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. ITM Power достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1 кВт.

Аналогичные разработки ведутся компанией Toyota совместно с Aisin Seiki Co с 2001г. Их домашняя система получает водород из природного газа, сжиженного нефтяного газа, или керосина. Toyota прогнозирует, что цена домашней энергетической установки составит около $4100.

General Motors также разрабатывает домашнюю систему для заправки водородных. GM надеется, что домашние заправочные станции поступят в продажу в 2011 году, когда начнутся поставки автомобилей на водородных топливных элементах.

Перспективы рынка автомобилей на топливных элементах

Научный европейский проект HyWays прогнозирует, что появление автомобилей на водородных топливных элементах, приведет к сокращению общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г.

HyWays полагает, что к 2030 году в мире будет 16 миллионов водородных автомобилей. Совокупные инвестиции для развития инфраструктуры этой отрасли составят 60 миллиардов евро.

С экологической точки зрения водород – наиболее перспективное топливо для автомобилей. Литр водорода весит всего 70 граммов – это наиболее теплотворное топливо. 1 кг водорода содержит в три раза больше энергии, чем бензин.

Можно выделить ряд недостатков, свойственных автомобилям на ТЭ, препятствующих их массовому внедрению:

• высокая стоимость;

• КПД топливных элементов составляет чуть более 30%;

• прирост массогабаритных характеристик автомобиля за счет топливного элемента;

• водород – самый легкий элемент на земле, следовательно, в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива;

• неразвитость инфраструктуры по обеспечению водородом;

• цена на водород  гораздо выше, чем на стандартное топливо;

• водород довольно трудно выделить из состава определенных соединений;

• слабым местом всех водородных моторов, которые вырабатывают чистую воду, является их критичное отношение к температуре окружающей среды из-за опасности тотального промерзания;

• взрывоопасность.

 Возможность массового выпуска машин на топливных элементах зависит от правительственных программ по поддержке развития в своих странах сетей водородных заправок. Это условие, впрочем, выполняется. Во всяком случае, в США, некоторых государствах Европы, в Японии и Южной Корее такие программы уже есть.

Для массового применения топливных элементов в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 200 долл./кВт (при современной стоимости от 5 до 10 тыс. долл./кВт). Вопросы дальнейшего развития топливных элементов во многом связаны со снижением их стоимости, что определяется в основном уменьшением расхода платиновых металлов (используемых в качестве катализатора) и снижением стоимости используемых в качестве мембраны фторированных и перфторированных пленок.

Представители General Motors заявили, что авто на топливных элементах будут стоить не дороже своих "классических" бензиновых и дизельных соперников, сразу же, как только мировой объём выпуска водородных машин достигнет 1 миллиона штук. А это — всего-то 1/66 ежегодного мирового производства автомобилей или 1/9 объёмов выпуска самой GM.

Департамент Энергетики США поставил цель – снизить к 2020г. стоимость топливных элементов до $30 за 1 кВт установленной мощности. Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л.с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.

Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30.

Таким образом, для стремительного развития отрасли на современном этапе, автоиндустрии на топливных элементах, необходимо преодолеть значительные препятствия как экономического, так и технологического характера.