Водородный туман

ЭХГ ФОТОН Уральского электрохимкомбината рекомендован для использования в международных космических программах

В Новоуральске создали первый в России водородный двигатель для легковых автомобилей. Началу серийного производства мешают дороговизна разработки и низкая окупаемость проекта. Создатели надеются на помощь федеральных властей.

В июне японская компания Honda объявила о начале производства первого в мире серийного автомобиля на водородном топливе. Новинка получила название FCX Clarity и пока носит скорее экспериментальный характер. До конца этого года Honda надеется продать только около 20 машин, в ближайшие три — порядка 200, в основном в регионах, где есть водородные заправки (в Японии и Калифорнии). Базовая цена пока не установлена, но дешевле 60 тыс. долларов автомобиль точно стоить не будет.

Разработать доступный и надежный водородный двигатель давно пытаются многие мировые автопроизводители: к середине века проблема перехода на альтернативные виды топлива встанет перед ними в полный рост. Если учесть, что придется создавать всю инфраструктуру (сервис, заправки), на переход потребуется не меньше 15 — 20 лет. Основной проблемой остается стоимость производства самого двигателя, работающего на водородных элементах.

Пока мировая общественность наблюдает за корпоративной водородной гонкой, попытки создать такой двигатель предпринимаются и в России. Уральский электрохимический комбинат (УЭХК, Новоуральск) готовит заявку в Агентство по науке и инновациям на финансирование проекта производства автомобильных электрохимических двигателей. Разработку мощностью 5 МВт УЭХК предлагает использовать не только в автопроме, но и в космосе, на подводных лодках и на железной дороге. Цена вопроса — 1,2 млрд рублей. Но и завод, и партнеры-производители такие деньги под рискованный проект выделить не готовы.

Космическая надежность

Опыт работы в водородном направлении у УЭХК внушительный: еще в советские времена завод поставлял электрохимические генераторы для ракет и подводных лодок. На заре космической эры РКК «Энергия» (Королев, Московская область) дала заказ на производство таких генераторов сразу нескольким предприятиям. «К разработчикам предъявляли особые требования: допускалось не более двух внештатных ситуаций, после чего машина должна была продолжать работать, причем выдерживать сильные вибрацию и удары», — рассказывает начальник особого конструкторского бюро завода электрохимических преобразователей (структурное подразделение УЭХК, занимающееся электрохимическими генераторами) Владимир Матренин.

Было создано несколько прототипов, но только разработка УЭХК отвечала заданным требованиям. Успехом завод был обязан в основном технологии создания пористых электродов, используемых в производстве водородно­кислородных топливных элементов. Комбинат начал сотрудничать с «Энергией», и в 1971 году появился первый генератор «Волна» мощностью 1,2 кВт. Его устанавливали на орбитальные космические корабли лунной программы: всего УЭХК изготовил 192 таких генератора.

В 1988-м комбинат завершил работы над «Фотоном» — генератором более высокого класса для космического челнока «Буран». В начале 90-х генератор протестировало Европейское космическое агентство (ЕКА; Нордвайк, Нидерланды), высоко его оценило и рекомендовало для использования в европейских программах. Но сотрудничество с ЕКА продолжения не получило: в начале 90¬х там увлеклись топливными элементами с полимерным пленочным электролитом, и о щелочном генераторе УЭХК забыли. Почти тогда же прекратила закупки и «Энергия»: государство сократило финансирование космических программ.

Пришлось искать новых потребителей. В начале 90-х УЭХК создал первый вариант генератора для подводной лодки. К тому времени на Западе уже существовал генератор фирмы Siemens, к которому проявили интерес немецкие военные: в Германии подлодка с Siemens уже принята на вооружение. Российские же военные разработкой УЭХК не заинтересовались, и создание генератора замерло на этапе технического проектирования. Поняв, что госзаказа можно и не дождаться, на комбинате решили обратить внимание на массовый рынок автомобилей.

На авто

Чем электрохимический генератор отличается от обычного двигателя внутреннего сгорания? Основной принцип таков: в ходе реакции кислорода и водорода выделяется энергия, преобразующаяся в электрическую. Она и движет автомобиль. Преимуществ множество. Во-­первых, при сжигании водорода выделяется больше энергии, чем при сжигании бензина. Во-­вторых, несмотря на то, что стоимость литра водорода и бензина сейчас почти совпадает, водородный двигатель потребляет топлива минимум в семь раз меньше, чем бензиновый. В-третьих, отходы жизнедеятельности автомобиля с химическим генератором — не углекислый газ, а водяной пар. Это, по идее, может решить проблему автомобильных выхлопов, одну из главных в экологии.

Разработанный УЭХК генератор — щелочной, в то время как большинство зарубежных — полимерные. Нестабильность в работе полимерных источников сильно мешает их внедрению, и поэтому разработка затормозилась даже на Западе.
К тому же ресурс полимерных генераторов в условиях автомобильных нагрузок пока не превышает тысячи часов, а необходимым для автомобиля считается ресурс в пять тысяч часов. Ресурс работы топливных элементов УЭХК, в которых в качестве электролита используется щелочь, заключенная в пористую матрицу, даже превышает норму: сейчас новоуральские инженеры обещают 10 тыс. часов стабильной работы.

В 1999 году АвтоВАЗ предложил комбинату разработать прототипы легковых автомобилей с водородным двигателем. В 2001 году УЭХК создал первый ходовой макет Lada Antel 1 на базе «Нивы» с мощностью генератора до 40 кВт. Следом — единичный образец Lada Antel 2 на базе ВАЗ 11-й модели с мощностью генератора 25 кВт. Главная особенность: в качестве окислителя вместо кислорода здесь используется воздух (технология пока не раскрывается — комбинат получает патент). Кроме того, баллон для водорода увеличили до 90 литров, в результате пробег за одну заправку возрос до 350 км. Еще одна новинка — мобильный технологический комплекс, который заправляет автомобиль за 20 минут (на заправку Antel 1 требовалось два часа).

Несмотря на все достижения, для массового производства прототип не годится. В основном — по причине дороговизны топливного элемента. Он содержит около 6 мг платины на квадратный сантиметр рабочей поверхности, поэтому стоимость уральского водородного двигателя сейчас составляет 10 тыс. евро за киловатт. 250 тыс. евро за весь двигатель — сумма почти космическая.

Тем не менее создатели генератора не останавливаются на достигнутом: они поставили цель к 2020 году снизить его стоимость до 100 евро за киловатт установленной мощности. «Мы уходим от драгоценных металлов к пластмассе и уменьшаем толщину деталей, — говорит ведущий инженер УЭХК Борис Поспелов. — Этого возможно добиться без снижения функциональных показателей генератора». За последние 16 лет инженерам УЭХК удалось уменьшить содержание платины на 37,5%. В ближайшие шесть лет комбинат надеется сократить содержание драгметаллов на квадратный сантиметр рабочей поверхности до двух миллиграммов.

Водородный барьер

Позволят ли эти усилия конкурировать с мировыми автопроизводителями — большой вопрос. На мировой рынок водородных источников энергии все активнее выходят иностранные компании, активно пользующиеся комплексной государственной поддержкой. Так, американское правительство выделило около 2 млрд долларов на разработку технологий снижения стоимости топливных элементов до 30 долларов за киловатт к 2020 году. Европейский союз в ближайшие пять лет намерен потратить 1,7 млрд долларов на разработку водородного двигателя. Кроме того, около десятка крупных автоконцернов (Toyota, Ford, Honda, Hyundai и другие) заявляют о намерениях создать или расширить производство автомобилей с водородным двигателем. В результате уже скоро западный потребитель получит генератор мощностью 100 кВт за 3 тыс. долларов, что вполне сопоставимо по стоимости с бензиновым двигателем.

Новоуральским инженерам такие цифры пока только снятся: комбинат уже два раза обращался в Агентство по науке и инновациям министерства образования и науки с просьбой о финансировании проекта, но положительного отклика так и не получил. Не интересен проект и частному бизнесу. Дело даже не в недостатке средств. Главная причина в том, что окупаемость проекта чересчур высока: инженерам УЭХК (по их собственным подсчетам) нужно шесть лет только на создание основ технологий массового производства водородных двигателей.

— Производство автомобилей с энергоустановками на топливных элементах предполагается на нашем предприятии не раньше 2020 года по двум серьезным причинам, — рассказывает представитель АвтоВАЗа. — Первая: нужно организовать инфраструктуру получения и заправки водородным топливом и развитие технологических мощностей по выпуску энергоустановок на топливных элементах, которые по цене были бы сопоставимы с двигателями внутреннего сгорания. Вторая: требуется готовность не только автомобильных корпораций, но и всех участников производства топливных элементов, то есть предприятий электрохимической отрасли.

При этом риски проекта слишком высоки: скорее всего, иностранные производители сумеют раньше россиян начать производство водородных двигателей и занять перспективный рынок. Поэтому неудивительно, что проектом в России не интересуются — есть предложения со схожим уровнем рентабельности, но более быстроокупаемые и менее рискованные.
Поэтому на УЭХК надеются только на госфинансирование: «Для решения указанных проблем необходима национальная программа перевода транспорта на водородное топливо, — отмечает представитель АвтоВАЗа. — Наше сотрудничество с УЭХК в разработке электрохимического генератора, вероятно, будет продолжено. Ориентировочно — в 2009 году, в рамках готовящейся сейчас правительственной программы, которая предусматривает финансирование работ по альтернативным видам топлива. Согласно этой программе, всего будет инвестировано 140 млрд рублей с 2009 по 2012 год. Из них из федерального бюджета — 78 млрд рублей, из внебюджетных средств — 3 млрд рублей».

Но пока российские власти водородной энергетике уделяют куда меньше внимания, чем нанотехнологиям. Так что в ближайшие годы УЭХК будет поставлять свои генераторы для уже существующих заказов: это военный транспорт, системы аварийного питания, возрождающаяся космическая программа. В итоге на массовом рынке водородных автомобилей Россия может и не появиться.

Дополнительные материалы: 

Электрохимический генератор — устройство, превращающее энергию химической реакции в электрическую. Представляет собой блок, состоящий из электролитного слоя, в качестве которого может быть использована ионопроводящая жидкость, ионопроводящий полимер или ионопроводящая керамика. К электролитному слою с каждой стороны прижаты два пористых электрода: анод и катод. Каждый электрод имеет пористый активный слой, в котором происходит электрохимическая реакция, и пористую подложку, являющуюся жесткой основой электрода, через поры которой в зону реакции подаются топливо и окислитель, а твердый каркас также играет роль токосборника. При подаче на анод топлива, а на катод — окислителя на аноде происходит окисление поступающего вещества (топлива) с отдачей электронов во внешнюю цепь, а на катоде — восстановление окислителя за счет поступающих из внешней цепи электронов