Возможно, решение заключается в появлении «чистых машин». Они могут быть определены как транспортные средства, приводимые в движение электрическим током, с использованием либо батареи, либо топливных элементов, которые работают на борту транспортного средства на водороде и часто представляют собой гибрид двух элементов. Идеи производства электромобилей обсуждались в течение многих лет, но только сейчас доказан эффект изменения климата, что делает их жизнеспособной коммерческой перспективой. Действительно, перемены уже наступили. Ежемесячные данные, опубликованные обществом производителей и торговцев электромобилями, свидетельствуют о том, что за последние несколько лет продажи электромобилей в Соединенном Королевстве значительно возросли. В то время как в первой половине 2014 года было зарегистрировано около 500 электромобилей в месяц, в течение 2018 года этот показатель вырос в среднем до 5000 в месяц1).

Тем не менее их производство является достаточно сложным, и многие производители и потребители будут сталкиваться с многочисленными проблемами, прежде чем такие автомобили будут производиться массово. Как поясняет г-н Ясуджи Шибата (Mr Yasuji Shibata), генеральный директор департамента оценки электрических транспортных средств корпорации, «первая цель Toyota Motor Corporation заключается в том, чтобы разработать электрические двигатели с тем же уровнем производительности и надежности, что и обычные автомобили, в рамках обоснованного бюджета». С этим связано требование гарантии эксплуатации характеристик автомобиля, отвечающего потребностям клиента, в особенности потребности в экономии топлива.

Все заряжено

Fully electric Tesla car charging with a plug-in connector.
Электромобили должны иметь стандартный разъем для зарядки от стандартных пунктов питания.

Говоря конкретнее, производительность одной ячейки (самого маленького электрического блока) и топливного блока (все ячейки, вместе взятые) – это две ключевые области фокусировки. К аккумуляторам также предъявляются два особых требования: хранение и выпуск. В отличие от бензобака емкость батареи изменяется в зависимости от температуры окружающей среды и устаревания. Также существуют различия между электроснабжением в транспортных средствах аккумулятора и автомобилями на водородных топливных элементах: у электрического аккумулятора имеется ограниченное количество энергии. Проблема заключается в том, что в случае эксплуатации транспортных средств, особенно таких, как грузовые автомобили, электричество расходуется постоянно. Поэтому при перемещении предметов (подъем пандусов, их поднятие) существует меньше возможностей для реагирования на тряску и есть большие потребности в энергии. Другими словами, происходит снижение эффективности, а значит, и производительности.

Однако в случае с транспортными средствами на топливных элементах, будь это автомобиль или грузовик, эффективность функционирования достигает 100 % мощности до последней капли газа. Поскольку аккумуляторы вмещают ограниченное количество энергии, дальность пути невелика, но у водородных топливных элементов дальность значительно выше. В настоящее время разница увеличилась в два раза и, возможно, в три раза – в ближайшем будущем. Отчасти это связано с тем, что автомобиль, который работает на топливных элементах, имеет больший пробег и менее восприимчив к погодным воздействиям окружающей среды, а также имеет более короткое время заправки, от трех до пяти минут. Такие авто контрастируют с автомобилями Tesla, у которых только время дозаправки составляет 20 минут. Вероятно, поэтому, в будущем будет популярна гибридизация электроэнергии и топливного элемента.

Ряд исследований показал, что было бы легко просто насытить рынок автомобилями на аккумуляторах, но замена бензиновых автомобилей на аккумуляторные будет происходит гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Электрическая сеть имеет достаточную мощность, чтобы справиться с таким изменением. С производством водорода колебания электроэнергии могут быть сбалансированы в течение дня, поэтому так важно проектирование гибридного решения. Обеспечение возобновляемой энергией такой, как солнечная, ядерная или энергия ветра, в автомобиле вряд ли сработает, потому что источники располагаются далеко от самого автомобиля. Но совсем другая ситуация складывается с водородом в качестве топлива, когда энергия может быть доступна в любом месте.

A plug-in electric car refuels at a charging station by the M40 Road in Oxfordshire, United Kingdom.
Электрический автомобиль заправляется на зарядной станции у дороги в Оксфордшир, Великобритания.

Враг или друг окружающей среды?

Следует также сказать несколько слов об экологической безопасности и опасности непонимания различия между понятиями «зеленое» и «чистое» топливо. Если взять, например, биотопливо, оно, безусловно, подходит под понятие «зеленое», но определенно не «чистое». Ранее большое внимание уделялось выбросам углекислого газа, но около двухсот видов других загрязняющих веществ от работы двигателя внутреннего сгорания были проигнорированы, что значительно больше вредит здоровью человека. Например, канцерогены присутствуют в выхлопе биодизельного двигателя и загрязняют так же, как и обычный двигатель. 

Автомобили на топливных элементах, использующие водород в качестве топлива, могут достичь более высокой средней эффективности полного топливного цикла (от колеса к колесу), чем двигатель внутреннего сгорания, который использует биотопливо, такое как биодизель. Действительно, самое большое преимущество водородного транспортного средства заключается в том, что оно производит только воду и воздух, которые не приносят вред окружающей среде. Но хотя и является правдой, что водородное топливо не оставляет выбросов, также верно и то, что оно не производится естественным путем на Земле. Производство водорода предполагает такие процессы, как электролиз, для которого необходимо электричество. И эта энергия поступает из ископаемого топлива.

Так как же международные стандарты позволят преодолеть разнообразные проблемы? Само собой разумеется, что, как и во всех областях стандартизации, это означает, что одинаковые продукты могут быть доведены до схожего уровня производительности и надежности, независимо от того, где они производятся. Также предполагается, что объем ресурсов, необходимых для создания уникального продукта, будет снижен для каждой страны, что обеспечит защиту окружающей среды. В целом основным препятствием для развития международной стандартизации является гармонизация между производителями. После использования автомобилей с аккумуляторами, некоторые страны переключают свое внимание на автомобили, которые используют технологию водородных топливных элементов. Существует огромный и растущий рынок, поэтому гармонизация международных стандартов стала ключевым приоритетом.

Стандарты на топливо

Двигатель автомобиля на топливных элементах “Mirai ” от Toyota.

В частности, стандарт ISO 17268 включает устройства заправки газообразным водородом наземных транспортных средств. Соединитель для заправки водородом стандартизирован по стандарту ИСО для стран, имеющих рынок транспортных средств с топливными элементами. Так, потребители смогут получать водород с любой водородной станции в Китае, Европе, Японии, Корее, Соединенных Штатах и т.д. ISO 23828 также относится к дорожным транспортным средствам с топливными элементами и используется в качестве измерения расхода топлива транспортных средств, работающих на компримированном водороде. Экономия топлива измеряется с помощью данного метода и упоминается в GTR 15 международных технических правил. Измеряемая таким образом экономия топлива будет использоваться правительствами для квалификации транспортных средств и заводов-изготовителей, применяющих этот метод, в качестве одного из показателей повышения качества транспорта.

Каждый день такие препятствия, как светофоры и изменения скоростного режима, означают, что требования к мощности трансмиссии автомобиля быстро меняются. Так есть ли у автомобилей на топливных элементах сила тяги, которую мы ожидаем? ISO 20762 был разработан для проверки максимальной мощности гибридного электрического транспортного средства (HEV) на системную мощность. ISO 23274-1 позволяет измерить расход топлива без погрешностей при запуске из другого состояния заряда. Такая ситуация также предполагает, что состояние заряда можно проверить при разных циклах, нагрузках и температурах.

Технический комитет ИСО/ТК 197, который занимается разработкой стандарта по водородным технологиям, возглавляет Андрей В. Чувелев (Andrei V. Tchouvelev), один из ведущих мировых экспертов по водородной безопасности, правилам, кодексам и стандартам. Г-н Чувелев 35 лет занимался исследованиями водорода и, переехав в Канаду из родной России, стал соучредителем канадской программы водородной безопасности. Комитет, который он возглавляет, не занимается непосредственно автомобилями, но занимался разработкой серии стандартов на топливо, поэтому все, что находится в диапазоне от автоматов заправочных станций до автомобилей, работающих на водороде, входит в его компетенцию. Существуют общие требования, а также детализация, касающаяся таких компонентов, как дозатор, компрессор, клапаны, фитинги и топливные шланги.

Close-up of logo on the blue bodywork of a hydrogen-powered taxi.
Первый в мире парк такси, работающих на водороде, с гордостью демонстрирует свой логотип на старте в 2015 году.

Глобальные требования

Ряд стран также подписали Директиву Европейского союза об инфраструктуре альтернативных видов топлива (AFID) (и ряд стандартов), одним из которых является водород. Основная часть работы по подготовке базы стандартизации в рамках мандата AFID была проведена ИСО/ТК 197 и посвящена изучению топливораспорядительных установок, качества топлива и соединителей. Данный комитет также участвует во 2 м этапе разработки глобальных технических правил (GTR 13), касающихся транспортных средств, работающих на водороде и топливных элементах. Он обеспечивает соответствие требований международных стандартов требованиям глобальных технических правил. Однако такое функционирование представляется сложным, несмотря на то что многие заинтересованные стороны работают вместе в целях разработки необходимых глобальных требований.

«Люди хотят изменений сейчас, не имея достаточных технических знаний и доказательств», – говорит Чувелев. По его словам, существуют дополнительные сложности: «Мы живем в быстро меняющемся мире, и Четвертая промышленная революция делает вызов стандартизации». Он также считает, что существует дилемма «курицы и яйца», когда следует разрабатывать международный стандарт для обеспечения безопасности и производительности, не ограничивая развитие технологий, поскольку автомобили на топливных элементах и топливная инфраструктура находятся на стадии развития уже около 15 лет.

Aerial view of cars on a dual carriageway in Berlin, Germany.Речь идет не только о легковых автомобилях, но также о поездах, автобусах, грузовиках, и других средствах передвижения, в том числе морских, авиационных и аэрокосмических. Например, для большегрузного грузовика может потребоваться 80 кг встроенного хранилища, в то время как обычному автомобилю с топливными элементами необходимо 5 кг. Таким образом, теперь помимо транспортных средств малой грузоподъемности необходимо заниматься разработкой стандартов, связанных с более высокими объемами хранения на борту и решением проблем заправки с наращиванием объемов. Кроме проблем, связанных с хранением топлива, топливными элементами и аккумуляторами, мы сталкиваемся с проблемами масштабирования, потенциально ограничивая их независимые крупномасштабные мобильные приложения.


1)«Зеленые» машины будущего, «Статистика рынка электромобилей» (февраль 2019 г.)