Водород страстей

В апреле General Motors обнародовала новость, которая произвела эффект разорвавшейся бомбы: по итогам I квартала ее убытки составили $1,1 млрд. Впрочем, чуть раньше GM собрала два десятка журналистов и отправила их на своем самолете в дорогостоящий тур в Калифорнию. Они смогли пожить пару дней в фешенебельных отелях и отведать блюда из меню шикарных ресторанов Малибу и Лос-Анджелеса.

Зачем GM организовала этот журналистский десант? Может, хотела продемонстрировать им новый автомобиль, который заткнет за пояс продукцию иностранных концернов? Ничего подобного — GM просто захотелось рассказать о своих научных разработках, которые позволят создать машину, использующую в качестве топлива водород, закачанный в баки с твердотельными веществами. И не важно, что таких веществ пока не существует, а емкость, в которой можно было бы хранить смесь водорода с этими веществами, еще не спроектирована. Не стоит принимать во внимание и то, что водородные топливные элементы пока стоят очень дорого, а ресурс их работы слишком мал. GM хотела поговорить о будущем.

Доля GM на автомобильном рынке стремительно сокращается, акции за год подешевели вдвое, облигации превратились почти что в «мусорные» бумаги, а машины пылятся в автосалонах дилеров. И в этой ситуации GM проводит одно-единственное масштабное исследование, делая ставку на автомобиль на водородном топливе.

В GM предполагают, что водород позволит компании отказаться от экономической модели, которая не дает ей развиваться в последние 40 лет. Со временем можно будет закрыть заводы, производящие моторы и коробки передач, — ведь для того, чтобы снабдить автомобили водородными двигателями, достаточно одного предприятия. Это решит проблему перепроизводства, которое слишком дорого обходится компании. Кроме того, GM не придется больше подстраиваться под экологические стандарты разных стран.

Когда же все это случится? На удивление скоро, если верить GM. Компания недавно выступила с заявлением: General Motors уже к 2010 году разработает автомобиль на водородном топливе, способный — при условии массового выпуска — конкурировать по цене с традиционными машинами. По контрактам с GM над решением этой задачи бьются тысячи специалистов в 14 странах мира. Со времени запуска проекта в 1996 году GM уже потратила на научные исследования $1 млрд. И это только начало.

«Мы настроены чрезвычайно серьезно, — говорит Ларри Д. Бернс, начальник отдела стратегического планирования General Motors и главный пропагандист водородных двигателей. — Вы можете считать старика Ларри фанатиком и хвастуном, но большинство людей, утверждающих, что топливные элементы появятся не раньше чем через 20–30 лет, просто не имеют ни малейшего представления о том, чем мы занимаемся».

Разработкой топливных элементов занимаются практически все мировые автопроизводители, но никто, кроме GM, не возлагает столько надежд на эту технологию. DaimlerChrysler утверждает, что потратила $1 млрд на разработку водородного двигателя, и уже раз обещала создать автомобиль на топливных батареях к 2004 году. Но сейчас компанию больше интересует экологически чистый дизельный двигатель с большим ресурсом пробега. Компания Ford наряду с топливными элементами разрабатывает двигатели внутреннего сгорания на водородном топливе. Toyota, у которой (в отличие от GM) достаточно денег, уже реализует программу создания топливных элементов, но при этом полагает, что через 30 лет все автомобили будут оснащены гибридными двигателями, которые считаются главным технологическим приоритетом компании. (Гибриды оснащены одновременно двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем.)

Тем временем доля GM на американском автомобильном рынке уменьшилась с 50% в 1965 году до нынешних 25%. Ее новые автомобили — такие как Buick LaCrosse и Pontiac G6 — это лишь улучшенные варианты моделей предыдущих поколений. Не удивительно, что их продажа идет так вяло. На выплату пенсий и медицинские страховки GM тратит $7 млрд в год, и эти траты съедают практически всю небольшую прибыль, которую приносят компании заводы, загруженные не на полную мощность. Поспеет ли «водородная» помощь ко времени?

«Уверенность GM в успехе просто иррациональна», — считает Джозеф Ромм, сотрудник министерства энергетики в годы правления президента Клинтона и автор книги «Миф о водороде». — Ни один здравомыслящий человек не поверит в то, что водородные топливные элементы появятся раньше чем через 20 лет. Усилий одной GM для этого недостаточно».

General Motors и другим автопроизводителям придется столкнуться с множеством сложных проблем — как технических, так и маркетинговых, и, если не решить хотя бы одну из них, весь проект пойдет ко дну. Кроме того, пока не ясно, поможет ли водородный двигатель снять с повестки дня экологические или геополитические проблемы. Из каких источников сегодня получают водород? На это уходит энергия природного газа, нефти или угля — причем при сжигании их в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа.

В GM, впрочем, рассчитывают на то, что водород можно будет получать, не загрязняя атмосферу углекислым газом и не импортируя для этого нефтепродукты с Ближнего Востока. «Самое выгодное решение — топливные элементы. Так что давайте двигаться в этом направлении», — говорит президент GM Ричард Вагонер.

Действительно, у водорода есть три основных преимущества перед бензином. Во-первых, если не брать в расчет «грязный» способ получения водорода, то этот газ — самое чистое топливо на планете, так как в соединении с кислородом водород образует H2O — лишенный всяких примесей водяной пар. Во-вторых, водород — очень эффективный источник энергии, КПД водородного двигателя на топливных батареях составляет от 35% до 40%. Для сравнения: коэффициент полезного действия бензинового двигателя не превышает 18%.

Третье преимущество: водород в принципе способен обеспечить каждой стране энергетическую независимость, поскольку его можно получать, используя любой источник энергии — нефть, природный газ, уголь, атомные и гидроэлектростанции, ветер. Сама по себе технология не нова: патент на двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе был получен в 1928 году, а первый трактор, приводимый в движение топливной батареей мощностью 20 л. с., продемонстрировали в конце 1950-х. Однако до сих пор остаются нерешенными многие практические проблемы.

Проблема №1: очень дорого

Любой новый двигатель должен по меньшей мере соответствовать традиционным требованиям водителей — обеспечивать высокую скорость движения, быть долговечным, легко заводиться и работать в любую погоду. И, естественно, он не должен стоить десятки тысяч долларов.

Двести ученых и инженеров GM пытаются решить все эти задачи в лаборатории, которая находится в небольшом городке Ханиой-Фоллз (штат Нью-Йорк). Сотрудникам лаборатории уже удалось создать топливные батареи, вырабатывающие достаточное количество энергии, но они недолговечны и плохо работают в мороз.

В каждой секции топливного элемента водород проходит сквозь платиновый катализатор, который расщепляет атом водорода на один электрон и один протон. Затем протоны проникают через пленку толщиной всего 18 микрон и соединяются с атомами кислорода, находящимися по другую сторону пленки. В результате этой реакции образуется вода. Электронам же водорода, заблокированным мембраной, предстоит долгий путь через электромотор. Чтобы создать необходимое для работы двигателя электрическое напряжение, необходимо соединить определенным образом сотни секций топливного элемента.

Пленка, так называемая протонообменная мембрана, очень чувствительна и хрупка. Когда мембрану тестируют в условиях, имитирующих эксплуатацию автомобиля, в ней появляются крошечные отверстия, которые снижают мощность системы. Можно сделать мембрану прочнее, но тогда ухудшатся эксплуатационные качества машины.

Цена топливных элементов зависит от возможности их массового производства. Примерно каждые 12 месяцев GM создает очередное поколение топливных элементов, и недавние усовершенствования, позволившие увеличить плотность энерговыделения и оптимизировать детали топливных элементов, весьма впечатляют. В GM утверждают, что им удастся создать систему топливных элементов, которая обойдется в $50 за каждый киловатт вырабатываемой мощности. Однако Дэвис Сперлинг, профессор Калифорнийского университета, специализирующийся на топливных элементах, полагает, что нынешние технологии автопроизводства могут снизить цену системы лишь до $500 за киловатт мощности. При такой цене система топливных элементов мощностью 200 л. с. будет стоить примерно $75 000. Бернс, правда, утверждает, что GM уже удалось создать более дешевую систему, но не говорит, на сколько она дешевле.

«Конечно, проектирование топливных элементов не имеет ничего общего с разработкой, к примеру, нового крыла, но все равно это обычная инженерная работа. И чтобы добиться успеха, не нужны научные открытия, достойные Нобелевской премии», — говорит Эндрю Боско, занимающийся в GM топливными элементами.

Проблема №2: как хранитьводород?

Чтобы автомобиль продавался успешно, он должен преодолевать без дозаправки 500 км. Машине с бензиновым двигателем это вполне по силам. Для дизельных и гибридных автомобилей — сущий пустяк. Для разработчиков транспортного средства на «водородном ходу» — это головная боль.

Возможно, это вообще самая трудная из всех проблем, которые предстоит решить GM. Водород — химический элемент, обладающий наименьшей плотностью, и уместить в топливном баке столько водорода, чтобы автомобиль проехал без дозаправки 500 км, можно лишь подвергнув газ сильному сжатию. В созданных GM автомобилях-прототипах с водородными топливными элементами газ, находящийся под давлением 680 атмосфер, закачивается в три дорогостоящих тяжелых и громоздких бака из углеродного волокна.

Как и другие компании, GM рассматривала вариант с охлаждением водорода до температуры минус 252 градуса по Цельсию, при которой водород переходит в жидкое состояние. Но автомобиль на жидком водороде не сдвинется с места, если, к примеру, он будет дожидаться своего хозяина двое суток на автостоянке в аэропорту — за это время топливо просто испарится в атмосферу. А чтобы поддерживать жидкий водород в охлажденном состоянии, придется сжечь массу топлива. Сейчас GM рассматривает возможность охлаждать водород до менее низких температур (–196 градусов) и закачивать его в топливные баки под сравнительно низким давлением (68 атмосфер) — такая система позволит предотвратить испарение газа, к тому же будет намного дешевле.

General Motors подрядила две организации — государственную Sandia National Laboratories и частную HRL Labs — для разработки нового метода хранения водорода, основанного на использовании так называемых твердотельных аккумуляторов. Эта технология считается сейчас одной из самых перспективных. Молекулы водорода отталкиваются друг от друга, как магниты с одинаковыми полюсами. Но водород можно закачать в топливный бак, если смешать его с химическими соединениями, называемыми комплексными гидридами металлов. Соединяясь с этими порошкообразными веществами, водород сохраняет стабильность при комнатной температуре и нормальном давлении. В этом случае и порошок, и водород можно поместить прямо в полости кузова автомобиля, высвободив больше места для пассажиров.

Но тут есть одна закавыка. Когда водород связывается гидридами, выделяется огромное количество теплоты. Кроме того, чтобы затем вновь высвободить водород, нужно разогреть смесь, а это потребует большого расхода энергии. Перед Sandia как раз и поставлена задача создать топливную емкость, которая позволит решить «тепловую» проблему. По контракту лаборатории отпущено на разработку четыре года. Полтора года уже истекли.

Проблема №3: нет заправочных станций

Производителям автомобилей с водородным двигателем нужно каким-то образом убедить энергетические компании и правительства перестроить инфраструктуру мировой энергетики: создать новые химические заводы для производства водорода, проложить трубопроводы, по которым можно транспортировать этот газ, наладить выпуск новых автоцистерн для доставки водорода на заправочные станции. И построить тысячи заправочных станций.

Бернс отмечает, что нынешнее общемировое производство водорода для производственных нужд составляет 50 млн т в год — этого количества достаточно для обеспечения топливом 200 млн водородных автомобилей. «Водородная инфраструктура уже создана», — считает Бернс.

Royal Dutch/Shell совместно с GM уже строят водородные заправочные станции в Вашингтоне. В планах партнеров — открыть водородные заправки в Нью-Йорке и Калифорнии. Компании Shell, ChevronTexaco, BP и другие также строят водородные заправочные станции по всему миру. «Мы бы не стали этого делать, если бы не видели перспектив для развития этого бизнеса», — говорит Джереми Бентам, глава Shell Hydrogen. В компании Shell рассчитывают, что первые автомобили на водородном топливе появятся в 2010 году, а уже в 2015–2025 годах начнется настоящий «водородный» бум.

Проблема №4: водород непросто добыть

Проще и дешевле всего получать водород из природного газа (метана), который для этого нужно смешать с паром, нагретым до 750–1000 градусов Цельсия. Двухступенчатый процесс реформинга приводит к образованию не только водорода по цене примерно $4–5 за 1 кг (по химически-энергетическим свойствам 1 кг водорода эквивалентен 4 л бензина), но и углекислоты, которую еще называют парниковым газом. Самые богатые запасы природного газа на Ближнем Востоке и в России.

Водород можно получить и из воды, пропустив через нее электричество, — в этом случае вода разлагается на водород и кислород. Эта технология хорошо освоена, однако для производства одного килограмма водорода таким способом необходимо 50 киловатт-часов электроэнергии, которые обходятся в $2,5 и более. Растущие потребности в электроэнергии вполне согласуются со строительством теплоэлектростанций, работающих на природном газе. Побочным продуктом их деятельности, напомним, является углекислый газ. А в будущем, возможно, для производства водородного топлива будет создана целая цепь атомных электростанций.

Если GM столкнулась с таким количеством препятствий, то зачем она вообще возится с водородом? Дело в том, что у водорода есть одно неоспоримое преимущество перед бензином — он сразу снимает с автомобильной индустрии все обвинения в загрязнении окружающей среды (даже если косвенно водородные двигатели загрязняют ее не меньше, а то и больше, чем бензиновые моторы). «Если мы хотим, чтобы наша рыночная капитализация приближалась к рыночной капитализации других отраслей промышленности, то мы просто не можем превращать автомобиль в заложника дискуссий о растущей энергозависимости, эксплуатации природных ресурсов и глобальном изменении климата», — повторяет Бернс.

По мнению Бернса, гибридные газоэлектрические двигатели, столь превозносимые сейчас защитниками окружающей среды, не решают проблему. Он утверждает, что если бы все американцы пересели на автомобили с гибридными двигателями, то уже через шесть лет объем потребления нефтепродуктов в США достиг бы рекордной за всю историю отметки, а затем рос бы примерно такими же темпами, как сейчас, поскольку гибридные двигатели экономичнее обычных моторов лишь на 25%.

Кроме того, GM считает привлекательной перспективу упрощения автомобильного производства. Бернс говорит, что в автомобиле с водородным двигателем будет в десять раз меньше деталей, чем в обычном двигателе внутреннего сгорания. Сейчас GM производит 29 типов двигателей, которые изготавливаются на 28 заводах по всему миру, и 20 типов трансмиссий, выпускаемых 20 другими предприятиями. Водородные же силовые установки для автомобилей любых моделей и размеров может выпускать один-единственный завод.

Конечно, GM делает ставку не только на водород: совместно с Fiat компания разрабатывает дизельные моторы, вместе с Ford — шестискоростные трансмиссии, а в сотрудничестве с DaimlerChrysler — гибридные двигатели. Но в разработках новых дизельных двигателей сегодня с большим отрывом лидирует европейское отделение Daimler, а в создании гибридных двигателей всех опережает Toyota. Так что именно водородные двигатели дают GM надежду вернуть себе позицию лидера мировой автомобильной индустрии — пусть и в отдаленной перспективе.

Пока все остальные подразделения компании бьются над тем, чтобы снизить на 5% себестоимость запчастей, борются с профсоюзами, протестующими против закрытия заводов, и урезают корпоративные программы медицинского страхования, Бернс может разрубить гордиев узел проблем корпорации при помощи самого простого химического элемента во всей вселенной. Успеет ли он сделать это именно тогда, когда это больше всего необходимо GM? Вряд ли.