Многие источники по итогам прошлого года сообщили о снижении темпов роста рынка электромобилей, причём на фоне острой ценовой конкуренции подобная динамика явно ударит по автопроизводителям. Как выясняется, машины на водородных топливных элементах не спешат набирать популярность, всё ещё оставаясь малочисленной категорией транспортных средств. В прошлом году их объёмы продаж сократились на 30,2 %.

Источник изображения: Hyundai Motor

Об этом сообщает издание Business Korea со ссылкой на статистику SNE Research. Впервые за три года, как отмечает источник, объёмы реализации машин на водородном топливе сократились в последовательном сравнении. С января по декабрь прошлого года в мире был продан 14 451 автомобиль на водородных топливных ячейках.

Южнокорейская Hyundai Motor более не может считаться крупнейшим поставщиком водородной автомобильной технике в мире, поскольку её объёмы продаж в прошлом году сократились на 55,9 % до 5012 машин, включая коммерческую технику. Основные объёмы продаж Hyundai приходились на легковой «водородомобиль» Nexo, но они сократились с 11 179 до 4709 экземпляров в 2023 году.

На первое место в мировых масштабах вырвалась китайская China Commercial, которая смогла реализовать 5362 автомобиля на водородных топливных ячейках по итогам 2023 года, и не только продемонстрировала рост на 2,4 % по сравнению с 2022 годом, но и заняла лидирующие позиции на рынке с долей 37,1 %. Кстати, этот поставщик занимает доминирующие позиции и на китайском рынке, ёмкость которого по итогам прошлого года достигла 5600 машин. Китай занимает 38,8 % мирового рынка водородного наземного автотранспорта, Южная Корея довольствуется вторым местом и 32 % с 4631 проданным автомобилем, США занимает третье (20,7 % и 2992 штук), Европа довольствуется 5,3 % рынка и 773 машинами, а Япония ограничивается 2,9 % рынка и 424 экземплярами. Кстати, в Японии реализуется лишь малая часть выпускаемых там машин на водородном топливе, поскольку одна только Toyota в прошлом году выпустила 3839 автомобилей такого типа, увеличив свою долю на мировом рынке до 26,6 %.

Динамика продаж по странам демонстрирует разнонаправленность. В Южной Корее они по итогам прошлого года сократились на 55,2 %, в Китае выросли на 2,8 %, в США продемонстрировали падение на 10,5 %, а Европа и Япония демонстрировали отрицательную динамику с 39,5 и 49,9 % падения соответственно. Успеху водородного транспорта на китайском рынке во многом способствовала государственная программа развития сопутствующей инфраструктуры, ведь без развития мощностей по добыче водорода и заправочных станций рынок двигаться вперёд не может. Аналитики отмечают, что рост стоимости водородного топлива негативно сказался на объёмах продаж соответствующих транспортных средств в прошлом году.

На днях на выставке в Майами компания Yamaha показала первую в мире моторную лодку с подвесным двигателем внутреннего сгорания на водороде. Это не просто лодка с новым мотором. Это испытательный комплекс, с самого начала созданный как интеграционный для новых безуглеродных технологий. Полевые испытания лодки и мотора начнутся летом, чтобы выявить сильные и особенно слабые места в проекте.

Источник изображений: Yamaha

Прототип моторной лодки с подвесным ДВС на водороде японский разработчик создавал совместно с компаниями Roush и Regulator Marine. Компания Roush, как специалист в системах питания, двигателях и транспортных систем от автомобилей до аэрокосмической отрасли, разработала блок хранения, расхода, заправки и правила безопасности при обращении со сжатым водородом. Фактически Roush предложила конструкцию баллонов для водорода и систему подачи топлива в двигатель.

Разработчику и производителю моторных лодок — компании Regulator Marine — пришлось учитывать «баллонную» особенность водородных ДВС и проектировать лодку с учётом оптимального размещения баллонов. Баллоны со сжатым водородом разместили по центру лодки, убрав оттуда ряд деталей — ящиков для рыболовных снастей и другое. В будущем, вероятно, моторные лодки для ДВС на водороде придётся проектировать с учётом более рационального размещения баллонов, что может привести к интересным вариантам дизайна.

На выставке Yamaha не стала распространяться о характеристиках двигателя на водороде. Известно, что представленная модификация создана на основе штатного бензинового ДВС Offshore V8 мощностью 425 и 450 л.с. — старшего в линейке подвесных лодочных моторов компании. Будет интересно узнать об испытаниях прототипа. Партнёры уверены, что за такими двигателями будущее. Главное, чтобы их эксплуатация была безопасной.

Молодая компания из Чикаго Celadyne собрала средства на производство придуманных ею протонообменных мембран для водородных топливных ячеек и электролизёров. Утверждается, что мембрана с покрытием из наночастиц повысит эффективность топливных элементов и электролизёров на 15–20 %. Благодаря новой мембране водородное топливо станет конкурентоспособным по сравнению с ископаемым в ряде областей применения, что ценно само по себе.

Образец мембраны с нанопокрытием. Источник изображения: Celadyne

Получение водорода методом электролиза с помощью электрического тока из воды с разделением на водород и кислород, а также обратный процесс — работа топливной водородной ячейки с получением электричества в процессе соединения водорода с кислородом фактически в обоих случаях использует одну и ту же протонообменную мембрану. Мембрана должна надёжно разделять реагенты, водород и кислород, для чего её делают достаточно толстой. При этом полной изоляции достичь нельзя, и проникновение водорода через мембрану снижает срок работы ячейки, а также электролизёра.

Компания Celadyne испытала для протонообменной мембраны покрытие из нанокристаллов оксида титана. По её словам, предложенное решение надёжно защищает от прохода водорода через мембрану даже небольшой толщины. При производстве мембраны с покрытием необходимо добавить лишь одну новую операцию в обычный процесс выпуска рулонным способом мембран для современных топливных элементов. Внедрить новый техпроцесс будет несложно, и это поможет увеличить как долговечность топливных ячеек и электролизёров, так и эффективность одних и других.

Компания Celadyne провела переговоры с рядом автопроизводителей, включая компанию Toyota, а также с некоторыми коммунальными компаниями из энергосектора в США. Она договорилась поставить им свои протонообменные мембраны для изучения. Также Celadyne сумела привлечь инвестиции на сумму $4,5 млн от компаний Dynamo Ventures и Maniv с участием EPS Ventures. На эти деньги будет развёрнуто массовое производство новых мембран для отправки заинтересованным производителям.

Даже в недалёкой перспективе благодаря мембранам с нанопокрытием производство каждого кг водорода может снизиться до $1, хотя в США считают успехом снижение стоимости производства водорода даже до $3 за кг. С заявленной целевой стоимостью производства водорода он сможет в некоторых областях составить конкуренцию ископаемому топливу, уверены в Celadyne.

Нидерландская судостроительная компания Holland Shipyard Group начала переоборудовать баржу-контейнеровоз FPS Waal с дизельных двигателей на электрические с питанием от водородных топливных элементов. Заказчик работ — компания Future Proof Shipping — в течение следующих пяти лет намерена построить и запустить по Рейну до 10 каботажных судов с нулевым уровнем выбросов CO₂, что сделает воздух над рекой немного чище и свежее.

Источник изображения: Future Proof Shipping

Между Нидерландами и Германией, а также внутри этих стран значительная часть грузов перемещается по водным артериям Рейна. До последнего времени грузы в контейнерах перевозили баржи на дизельных двигателях внутреннего сгорания. Компания FPS решилась на перемены примерно год назад, когда заказала замену дизельного оборудования на одной из своих барж постройки начала 90-х годов прошлого века на электрические двигатели, топливные ячейки и баки для хранения водорода.

Первая баржа H2 Barge 1 размерами 109,8 × 11,4 м с грузоподъёмностью 190 стандартных 20-футовых (6-м) контейнеров начала курсировать между портом Роттердам в Нидерландах и внутренним терминалом BCTN в Мерхауте, Бельгия, с июня 2023 года. На основе полученного опыта компания Future Proof Shipping заказала модернизацию второй дизельной баржи в водородную — H2 Barge 2, которая получила усиленную топливную установку мощностью 1,2 МВт.

На второй барже разместят 6 топливных ячеек производства канадской компании Ballard Power Systems мощностью 200 кВт каждая. Баржа H2 Barge 2 будет курсировать между Роттердамом и Дуйсбургом (Германия). Проект модернизации поддержан рядом европейских организаций. Ожидается, что инициатива найдёт поддержку у других европейских перевозчиков и не только для речного судоходства.

Компании General Motors и Honda объявили, что на их совместном предприятии FCSM стартовало производство водородных топливных элементов, которые будут использоваться в «различных продуктах».

Источник изображения: global.honda

Энергоисточником таких элементов является сжатый водород, а при отработке выбросом оказывается водяной пар. Сегодня данная технология применяется в тяжёлых транспортных средствах и мобильных генераторах — она позволяет отказаться от традиционных ископаемых видов топлива. Совместное предприятие FCSM (Fuel Cell System Manufacturing — «Производство систем топливных элементов») было создано GM и Honda в 2017 году. Два автопроизводителя также занимались совместным выпуском электромобилей Honda Prologue, Acura ZDX и Cruise Origin.

Завод FCSM площадью 6500 м², расположенный в Браунстауне (США, шт. Мичиган), был построен на совместные средства GM и Honda — размер фонда составил $83 млн. Компании называют его «первым крупномасштабным совместным предприятием по производству топливных элементов». В сегменте легковых автомобилей водород большой популярности не снискал. Honda была одной из немногих компаний, выпустивших на рынок модель с водородным двигателем — Clarity, но в 2017 году её сняли с производства. Проблема оказалась в практически полном отсутствии заправочной инфраструктуры. Сейчас автопроизводители переключились на грузовые автомобили и спецтехнику на водороде — заправочные станции проще строить для машин, которые работают в ограниченном пространстве.

Недостатком водорода является невысокая плотность энергии на единицу объёму, что затрудняет его хранение: требуются высокое давление, низкие температуры или химические процессы. Важно преодолеть эту проблему для машин малой грузоподъёмности, обладающих небольшими размерами и малыми ресурсами для хранения топлива. Ещё одна проблема в том, что значительная часть водорода производится на основе паровой конверсии метана, которая даёт на выходе углекислый газ. Метан же является ещё более мощным парниковым газом, чем углекислый, и он постоянно улетучивается на всех этапах от производства до конечного использования.

Стремление сделать гражданскую авиацию экологически чистой практически не оставляет альтернатив для выбора топлива. На батарейках далеко не улетишь, поэтому в качестве топлива всё чаще и чаще рассматривается водород. Самолёты могут летать как на топливных ячейках, так и непосредственно на сжигании водорода. В любом случае будет стоять задача взять на борт как можно больше горючего и с этого места появляются варианты.

Источник изображения: ZeroAvia

Водород может сжижаться с использованием криогенного охлаждения (-253 °C), а может сжиматься при обычной температуре в газообразном состоянии. Так же есть варианты экзотических способов хранения водорода в пористых материалах и в соединениях, но это требует более сложных и не до конца изученных процессов.

Но есть ещё один вариант, который впервые был предложен 25 лет назад исследователями Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Он предусматривает криогенное охлаждение водорода (сжижение) и последующее сжатие. Сжатие до примерно 240 атм позволяет поднять плотность топлива и, следовательно, запасаемой энергии. Самолёт на такой системе сможет пролететь ощутимо дальше без существенных затрат на усложнение оборудования.

Вопросами использования сжатого криогенно охлажденного водородного топлива занялась молодая компания Verne из Сан-Франциско. Сотрудники компании изучили опыт учёных из Ливерморской национальной лаборатории и провели там в прошлом году ряд натурных экспериментов. Опыты показали, что предложенное Verne решение позволяет хранить в криогенных баках под давлением на 27 % больше сжиженного водорода. В компании считают, что могут довести этот показатель до 40 %, что означает примерно такое же увеличение дальности полёта.

Другими преимуществами криогенно сжиженного водорода под давлением станет простая перекачка топлива при дозаправке (баки танкера под давлением сами заполнят топливные баки), а это колоссальная экономия на инфраструктуре аэропортов, а также более простая конструкция бака по сравнению с ёмкостью для газообразного водорода под давлением 700 бар и, наконец, происходит самоохлаждение топлива в процессе его выработки за счёт естественного расширения газов в баке.

Опытный бак для хранения сжиженного водорода под давлением. Источник изображения: Lawrence Livermore National Labs

Но самой главной новостью стала информация о заключении компанией Verne договора о совместной разработке и испытании самолёта на криогенно сжиженном и сжатом водороде с компанией ZeroAvia. Год назад ZeroAvia организовала первый полёт самого большого гражданского самолёта на водородных топливных ячейках, и она намерена найти лучший способ использования водорода в качестве топлива для авиации. Предложение изобретателей Verne было воспринято с энтузиазмом и, возможно, оно окажется перспективным.

Серьёзная проблема водородных ДВС кроется в слишком бедной топливной смеси, которая не позволяет создавать мощные двигатели, например, для гоночных автомобилей. Похоже, разработчики из Австрии смогли её обойти, предложив водородный двигатель с прямым впрыском воды в камеру сгорания. Испытания показали, что новый двигатель выдаёт более 200 л.с. на литр и этим рвёт все шаблоны.

Источник изображений: AVL

Водородные двигатели внутреннего сгорания менее экологичны, чем платформы на водородных топливных ячейках. Но у них есть важное преимущество — они могут выдавать большую мощность. Правда, на уровень мощности влияет степень обогащения топливной смеси воздухом. Традиционно в водородных ДВС топливная смесь бедная — там слишком много воздуха. Чтобы довести соотношение воздуха и водорода в камере сгорания до идеальной инженеры из компании AVL создали систему контролируемого прямого впрыска воды в камеру наряду с использованием турбокомпрессора для замедления горения.

Моделирование на компьютере подтвердило работоспособность идеи, и инженеры создали прототип 2-литрового четырёхцилиндрового двигателя. На стенде прототип выдал мощность 410 л.с. (302 кВт) при 6500 об/мин и крутящем моменте 500 Н·м в диапазоне от 3000 до 4000 об/мин. Позже двигатель будет испытан на гоночном автомобиле на трассе.

По словам представителей компании, интеллектуальная система впрыска воды PFI подает воду в канал подачи воздуха в камеру сгорания, предотвращая возможность преждевременного воспламенения и изменяя соотношение воздух-топливо от обедненного до стехиометрического (идеального для водородного топлива) уровня. Воздух подается системой турбонаддува. С такими двигателями гоночные авто станут экологически чистыми, не потеряв в мощности и оставаясь ревущими монстрами — всё, как мы любим.

Британская промышленная инженерная компания Rolls-Royce разработала новые топливные форсунки и другие компоненты, которые позволяют использовать водород в авиадвигателе даже на взлётных режимах. Испытания проводились в камере сгорания турбовентиляторного двигателя Pearl 700, развивающего тягу более 8000 кгс, на самолёте Gulfstream G700. По утверждению Rolls-Royce, испытания прошли успешно, работа камеры сгорания и выбросы соответствовали ожиданиям.

Источник изображений: Rolls Royce

Хотя водород является одним из самых сложных в обращении видов топлива, его сжигание не приводит к выбросу парниковых газов в атмосферу, что делает его весьма перспективным топливом для авиаперевозок будущего. Кроме того, при испытаниях использовался «зелёный» водород, выработанный с помощью ветряных и приливных электрогенераторов. Помимо прочего, эксперимент косвенно подтверждает верный выбор стратегии декарбонизации Rolls-Royce.

Новые топливные форсунки Rolls-Royce стали ключевым элементом для успешного использования водорода в качестве топлива в режимах максимальной мощности, необходимых для взлёта самолёта. Водородные форсунки были предварительно протестированы в Университете Лафборо в Великобритании и Немецком аэрокосмическом центре.

Камера сгорания, сопло и форсунки для распыления водородного топлива, участвовавшие в тесте, были спроектированы с учётом особенностей сгорания водорода, так как им пришлось выдерживать более высокую температуру сгорания, поскольку горючесть водорода выше, чем у керосина.

Компания Rolls-Royce утверждает, что ей удалось сделать процесс сжигания водорода в двигателе полностью управляемым, а проведённые испытания позволили собрать большой массив данных о горючести водорода в разных режимах и условиях и о его потенциальной пригодности для реактивных полётов.

В сегменте грузового транспорта водородные топливные ячейки считаются многими игроками рынка перспективным направлением развития, поскольку водородное топливо считается более экологически чистым, а запас хода в сотни километров можно восполнить за несколько минут, и при этом не тратить энергию на перевозку тяжёлых тяговых батарей. Bosch сообщила о запуске производства профильных силовых установок на двух своих предприятиях в Германии и Китае соответственно.

Источник изображения: Nikola Motor

Водородные топливные ячейки используют специальные генераторы, вырабатывающие электроэнергию с использованием водорода, в качестве выхлопа такие силовые установки создают обычный водяной пар. Запас водорода, хранимый в специальных резервуарах под большим давлением, в данном случае заменяет тяговый аккумулятор. Баллоны с водородом намного легче аккумуляторных батарей, а наполнить их на заправочных станциях можно за несколько минут, чего нельзя сделать в случае с дальнобойными грузовиками аккумуляторного типа.

Как заявляет Reuters со ссылкой на представителей компании Bosch, силовые установки на основе водородных топливных ячеек с предприятия в Германии начнут поступать в США, где ими будут оснащаться магистральные тягачи Nikola, использующие водородное топливо в качестве источника энергии. Поставки водородных грузовиков Nikola на рынок Северной Америки Nikola рассчитывает начать уже в текущем квартале. Эта компания станет первым получателем данных силовых установок производства Bosch. Со временем водородные топливные ячейки Bosch начнут выпускаться и в США.

В период с 2021 по 2026 годы европейский конгломерат планирует потратить на разработку и производство водородных топливных ячеек почти 2,5 млрд евро. Эта сумма оказалась на миллиард выше запланированной на период до 2024 года, который был охвачен первоначальной версией инвестиционной программы. К 2030 году Bosch рассчитывает ежегодно выручать по 5 млрд евро за счёт реализации водородных силовых установок. По прогнозам компании, к концу десятилетия каждый пятый грузовик массой более шести тонн будет использовать водородные топливные ячейки.

Многие автопроизводители придерживаются гибкой стратегии в области отказа от ДВС. Молодая по меркам отрасли компания Nikola готова оснащать грузовики как тяговыми аккумуляторами, так и водородными топливными ячейками, подобной идеологии придерживается и Daimler, а вот грузовое подразделение Volkswagen делает ставку исключительно на аккумуляторные транспортные средства.

Водородное топливо в транспортной сфере предполагается применять в двух вариантах: напрямую в модифицированных ДВС или для выработки электроэнергии в топливных ячейках. Представителям одного из нидерландских университетов недавно удалось обновить рекорд продолжительности пробега транспортного средства на одном килограмме водородного топлива — экспериментальный трёхколёсный электромобиль смог проехать 2488 км.

Источник изображения: Delft University of Technology

Как поясняет Popular Science, предыдущий рекорд в 2056 км был установлен прототипом на основе Renault Zoe, оснащённым топливными ячейками с метанолом. Нидерландская машина Eco-Runner XIII является уже 13-м по счёту поколением транспортного средства, разработка которого началась ещё в 2005 году. Машину нельзя назвать практичной, поскольку ради облегчения конструкции она лишилась многих потребительских качеств. Приземистый обтекаемый корпус способен вместить одного человека, масса всей конструкции не превышает 72 кг, а предельная скорость ограничена отметкой 45 км/ч. Ради снижения массы углеволокно используется не только для производства кузова прототипа, но и отдельных элементов подвески и системы рулевого управления. В ходе эксперимента на закрытой трассе в Германии группа студентов на протяжении 71 часа сменяла друг друга за рулём прототипа через каждые пару часов, всего на 1 кг водорода машина смогла проехать 2488 км.

Разработчики Eco-Runner XIII также уделили особое внимание снижению потерь в цепочке преобразования водорода в электроэнергию для вращения тягового электродвигателя. В итоге машина получила водородные топливные ячейки нового поколения, которые обладают более высоким КПД. Конечно, в серию такую машину будет запустить проблематично, но некоторые наработки Eco-Runner XIII можно будет применить на более практичных транспортных средствах. Во всём мире в прошлом году было продано около 56 000 машин на водородном топливе, многие участники рынка грузоперевозок считают его одной из немногих разумных альтернатив дизельным двигателям.

Учёные из Технологического института Карлсруэ (KIT) вместе с коллегами из Канады разработали фотопанель для выработки водорода с помощью одного только солнечного света. Панели стоимостью до $22 за квадратный метр можно будет располагать на крышах домов или в виде солнечных ферм, но на выходе будет не электричество, а водород, синтетическое топливо или даже чистая вода, что будет зависеть от выбора фотокатализатора.

Источник изображения: KIT

Перед учёными стояло две задачи. Во-первых, они должны были придумать самый оптимальный для поглощения света фотореактор, ведь эффективность реакции в нём будет определяться количеством падающего солнечного света в течение суток. Кроме того, реактор должен быть из простых материалов и удобен для массового производства и эксплуатации. Проще говоря, учёные взялись решить сложную конструкторскую задачу, с чем они успешно справились.

Лабораторная установка

Во-вторых, необходимо было разработать эффективный фотокатализатор для проведения соответствующей химической реакции. Эта часть проекта пока не завершена. Кроме того, химические реакции могут быть разными, например, позволяя синтезировать в реакторе под воздействием света искусственное углеродное топливо, воздействуя на углекислый газ и воду. Наконец, можно получать в таких реакторах чистую воду, что найдёт поддержку в странах с засушливым климатом.

О результатах своего исследования учёные рассказали в журнале Joule. Статья свободно доступна для прочтения. Там же представлен чертёж фотореактора, который может служить отправной точкой для разработки коммерческих установок.

Конструкция фотореактора

В общем случае фотореактор производится из полимерных материалов, но для лучшего переотражения света к фотокатализатору в рабочую зону его поверхность покрывают алюминиевой фольгой или напылением. Согласно предварительным оценкам, стоимость каждого квадратного метра такой панели не будет превышать $22. Представители института изучают вопрос массового производства подобных фотопанелей.

Чего только не придумаешь, когда в стране официально запрещена ядерная энергетика.

Компания Airbus настойчиво занимается разработкой и тестированием «зелёных» авиационных технологий, реализуя крупные проекты. Новые решения позволяют не только использовать полностью водородную топливную систему, но и применять в лайнерах водородную вспомогательную силовую установку (APU) — вместо т.н. «скрытого» авиадвигателя, применяемого для электроснабжения самолётов. Часть новых разработок базируются на космических технологиях.

Источник изображения: Airbus

Полностью «водородная» экономика требует не только простой замены одного топлива на другое, но и полного пересмотра двигательной и энергетической системы авиалайнеров. При сотрудничестве с ArianeGroup (совместным предприятием Airbus и Safran), компания Airbus завершила тестирование полнофункциональной системы подачи водорода в газотурбинные двигатели самолёта. Проект HyPERION начали реализовать в 2020 году, он предусматривает появление коммерческих водородных лайнеров к 2035 году. Тем не менее, для тестирования безопасности технологий и выявления недочётов, требующих доработки, требуется провести дополнительные работы.

Проект предусматривает использование опыта Airbus в строительстве самолётов и применение топливных систем на жидком водороде, разработанных ArianeGroup для космических ракет семейства Ariane. В новой системе водород хранится в состоянии сверхохлаждённой жидкости в криогенных ёмкостях. После впрыска в топливную систему он подогревается до газообразного состояния и доставляется в двигатели с оптимальной температурой и давлением. 12 мая ArianeGroup совместно с французской ONERA провела ряд испытаний совместимости материалов и технологий с использованием электронасоса, газового генератора и теплообменников, изначально предназначавшихся для ракет Ariane.

Ещё одним важным проектом занимается подразделение Airbus UpNext — оно работает над программой, предусматривающей замену «скрытого» авиадвигателя авиалайнеров на водородные топливные ячейки. Хотя большинство людей принимают во внимание только двигатели самолёта, расположенные под крыльями, в хвосте крупных лайнеров обычно имеется ещё один, приводящий в действие вспомогательную силовую установку (APU). Реактивный двигатель подключён к генератору и обеспечивает лайнеру освещение, работу камбуза, питание бортовой авионики и даже поддержание на борту необходимого давления, и т.п. В Airbus намерены создать к 2025 году прототип HyPower, который заменит APU на Airbus 330 — он будет использовать водородные топливные ячейки, что позволит обеспечивать авиалайнер электроэнергией без лишнего шума и с пониженными выбросами.

Источник изображения: Airbus

Новые тесты, по данным Airbus, являются очередным шагом к демонстрационному полёту, который должен состояться к концу 2025 года. В числе прочего планируется показать и процесс заправки авиалайнера, который, с учётом физических свойств водорода, сам по себе является весьма сложной задачей. Ожидается, что систему продемонстрируют в реалистичных условиях — авиалайнер полетит на высоте 7620 м в течение часа с 10 кг водородного топлива на борту.

В январе 2023 года появились новости о том, что компания ZeroAvia подняла в воздух крупнейший в мире пассажирский самолёт на водородной тяге — в воздухе он продержался 10 минут и значительно уступает размерами крупным авиалайнерам вроде Boeing и Airbus.

Железные дороги были и остаются одними из сильнейших загрязнителей окружающей среды. Поэтому перевод подвижного состава на экологические виды топлива обязателен для соблюдения «зелёной» повестки. В идеальном случае транспорт под эти цели надо проектировать с нуля, но замена двигателей на «чистые» — это тоже рабочий вариант и главное, что он может быть реализован в кратчайшие сроки.

Источник изображений: CRRC

Китайские СМИ сообщают, что в филиале Датун государственного производителя China Railway Rolling Stock Corporation (CRRC) завершена модернизация первого дизельного локомотива с заменой «ископаемого» двигателя на водородный. Точнее, локомотив получил электрический двигатель и водородные топливные ячейки, в которых легчайший газ при взаимодействии с кислородом превращается в электричество и водяной пар.

На одной заправке модернизированный локомотив может двигаться до 190 часов — это больше недели в пути, а на саму заправку необходимы два часа. Другая выгода от использования водородных ячеек заключается в том, что обслуживание и эксплуатация водородных локомотивов обещает быть в два раза дешевле дизельных.

Китай может довольно быстро перевести дизельные локомотивы на водородное топливо. По оценкам специалистов, модернизировать можно будет до 90 % локомотивов из парка порядка 7800 штук. Это почти третья часть от всего подвижного состава в Китае. Экологический эффект обещает быть колоссальным.

Всё это хозяйство и водородный автомобильный транспорт потребует выработки соответствующих объёмов водородного топлива. Сегодня водород в основном производится методами, сопровождающимися вредными выбросами — это переработка нефти, угля и сопутствующая добыча. Более экологически чистые способы — получение водорода с помощью электричества с АЭС и из биомассы. Совсем чистые — электролиз с использованием мощностей солнечных и ветряных электростанций. Китайские железнодорожники рассчитывают своими силами организовать производство «зелёного» водорода в объёме до 200 тыс. т к 2025 году.

Новый водородный состав

Параллельно разрабатываются абсолютно новые локомотивы, сразу ориентированные на водородное топливо. Такая новинка была представлена зимой этого года. Современный четырёхвагонный водородный пассажирский поезд может проезжать на одной заправке до 600 км. В Германии подобный пилотный состав был запущен в 2018 году и летом 2022 года принят в эксплуатацию. За четыре года он проехал более 220 тыс. км и хорошо себя зарекомендовал. Есть подозрение, что китайцы спроектировали водородный четырёхвагонный пассажирский состав с прицелом на европейский рынок, но пока там правит бал французская компания Alstom.

Самый «чистый» водород производится из воды методом электролиза с использованием электричества от возобновляемых источников. Но энергетически это очень затратное мероприятие, которое российские учёные обещают ощутимо улучшить, повысив его энергоэффективность до двух и более раз. И поможет в этом простейший лазер.

Источник изображения: Портал «Атомная энрегия 2.0»

Изобретение представили исследователи из кемеровского ФИЦ угля и углехимии СО РАН. Доклад опубликован в журнале Hydrogen Energy и свободно доступен по ссылке. Учёные предложили оригинальное решение. Вместо того чтобы пропускать ток большой силы через электроды электролизёра и страдать от потерь, предложено облучать объём воды лазером.

В воде создаётся суспензия в виде наночастиц алюминия. Лазерный луч свободно проходит сквозь толщу воды и работает исключительно на поверхности наночастиц. Это разрушает защитный оксидный слой на частицах и обнажает металлический алюминий для вступления в химическую реакцию с водой, в результате которой начинает выделяться чистый водород.

Согласно проведенным расчётам, затраты электроэнергии на получение 1 кг водорода могут быть снижены до 15–17 кВт·ч, тогда как в классическом электролизёре они могут достигать 40 кВт·ч и более. При этом появляется возможность создавать компактные и относительно недорогие модульные генераторы водорода, для работы которых хватит сравнительно маломощных полупроводниковых лазеров.

Побочным продуктом процесса станут оксиды алюминия, которые можно использовать для производства адсорбентов, керамических материалов и других материалов.

Учёные из Университета Пенсильвании предложили неожиданное применение обычному углю в низкоуглеродной энергетике. Уголь любых марок можно использовать как контейнер для длительного хранения газообразного водорода. Первые эксперименты в этом направлении обнадёживают. Это позволит сохранить отрасль, десятки тысяч рабочих мест и даст старт водородной энергетике — чистой безо всяких оговорок.

Источник изображения: Pixabay

С выработкой водорода особых проблем сегодня нет. Есть проблемы с его длительным хранением в больших объёмах. Предлагаются как классические способы хранения с закачиванием в подземные пустоты, так и экзотические в виде гидридов металлов. Каждое из предложенных решений, которое также включает заключение водорода в порошки, пасты и разнообразные по содержанию картриджи, имеет свои плюсы и минусы. Идеального решения так и не найдено и уголь, как ни странно, может оказаться перспективным кандидатом на роль контейнера для водорода.

Известно, что уголь хорошо абсорбирует газообразный метан. Это же свойство угля, решили учёные, можно перенести на водород. Для проверки идеи на практике была создана установка, которая создавала оптимальное давление для нагнетания водорода внутрь угля.

«Мы собрали новую и очень сложную конструкцию, — сказал Шимин Лю (Shimin Liu), доцент кафедры энергетики и минерального машиностроения в Пенсильванском университете. — Потребовались годы, чтобы понять, как это правильно сделать. Методом проб и ошибок нам пришлось разработать систему экспериментов, для чего пригодился наш предыдущий опыт с углями и сланцами».

После анализа семи марок угля из разных угольных районов США, исследователи обнаружили, что этот материал действительно исключительно хорошо хранит водород. Лучшим из них оказался битуминозный уголь с низким содержанием летучих веществ, найденный в Вирджинии, и антрацитовый уголь из Пенсильвании. Как пояснили учёные, газоулавливающая способность угля основана на его уникальном составе. Он, по сути, похож на губку, которая может удерживать гораздо больше молекул водорода по сравнению с другими неуглеродными материалами.

На этом изучение угля как контейнера для длительного хранения водорода не окончено. Учёные намерены изучить его проницаемость и диффузионную способность. Это поможет понять, как быстро водород может закачиваться в различные виды угля и извлекаться из него, что, в свою очередь, может привести к созданию эффективных водородных «батарей» на основе этого ископаемого ресурса.