Условно чистое топливо
Европа намерена расширять использование биотоплива, а ведущие автопроизводители делают ставку на водородные топливные элементы
Альтернативу все уменьшающимся запасам нефти и дорожающим нефтепродуктам ищут уже давно. Пока попытки перевести автомобили на другие виды топлива принесли мало результатов — электромобили все еще имеют очень ограниченный запас хода, гибридные авто все еще очень дорогие (хотя они уже появились на дорогах), а целый ряд проектов по созданию автомобиля на водороде потерпели неудачу. Тем не менее, автопроизводители понимают, что уже в обозримом будущем бензин и дизтопливо придется чем-то заменять.
Владимир МИХАЙЛОВ
Биотопливо — не такое уж и "зеленое"
Страны с развитой экономикой уже давно стараются форсировать на законодательном уровне широкое внедрение биотоплива, но встречают на этом пути ряд трудностей. В частности, хотя Европарламент определил постепенное увеличение доли биотоплива в общем объеме топлива для транспорта одним из путей снижения выбросов парниковых газов, отдельные государства ЕС все еще далеки от этой цели. Основным препятствием стало изменение представлений о роли биотоплива в снижении выбросов парниковых газов. Дело в том, что для выращивания культур, из которых производят биотопливо, часто используются земли, на которых ранее росли богатые биомассой растительные сообщества. Такие косвенные изменения в землепользовании увеличивают суммарный объем выбросов парниковых газов на протяжении всего цикла производства биотоплива. Их негативное влияние на баланс углерода в атмосфере намного превышает позитивное влияние использования биотоплива, полученного из "биотопливных" культур, выращенных на этих землях.
Около года назад Еврокомиссия предложила учитывать эту проблему в законодательстве, касающемся биотоплива, но это предложение встретило резкое сопротивление производителей биотоплива, фермеров и даже органов власти, отвечающих за сельское хозяйство, поскольку субсидирование производства биотоплива сделало весьма выгодным выращивание именно "биотопливных" культур.
Недавно в Европе были предложены изменения "биотопливной" политики, согласно которым акцент сделан на необходимости использования биотоплива следующего поколения, полученного не из сельскохозяйственных культур. В сентябре 2013 г. Европарламент проголосовал за то, чтобы доля такого биотоплива была не меньше 2.5%, а доля биотоплива из с/х культур не превышала 6% (всего на биотоплива должно приходиться 10% общего производства транспортного топлива). К сожалению, евродепутаты не приняли предложение начать переговоры по этим вопросам с государствами-членами ЕС, со стороны которых предлагались другие цифры — доля биотоплив должна составить 7%, а биотоплив следующего поколения — 1%.
Эти разногласия уже успели ухудшить инвестиционный климат в биотопливной отрасли. Пока никто не знает точно, какая позиция будет принята. Противники увеличения доли биотоплив нового поколения и ограничений землепользования, связанных с производством биотоплива из с/х культур, отмечают, что пока их влияние на общий уровень выбросов парниковых газов плохо изучено. Сельскохозяйственные ассоциации заявили, что задекларированная Европарламентом цель угрожает будущему биотопливной промышленности и политике снижения выбросов, а также ставит под угрозу благополучие огромного количества людей и снабжение кормом сельскохозяйственных животных (отходы производства рапсового масла — сырья для биодизеля — используются в качестве корма).
В то же время, сегодня доля биотоплива в общем производстве автотранспортного топлива ниже, чем предполагает цель Еврокомиссии — 4.8%, так что расти отрасли есть куда.
Таким образом, европейская биотопливная политика зашла в тупик, и пока сложно сказать, как именно она из него будет выходить.
Автопроизводители и нефтяники пытаются найти выход
Возможно, выйти из тупика биотопливной политики Европе помогут производители нефти и автомобилей. Недавно шесть крупнейших компаний ЕС — Volkswagen, Daimler, Honda, Neste Oil, OMV и Shell — разработали "биотопливную дорожную карту" для ЕС до 2030 г.
Пытаясь разрешить противоречия между позицией Европарламента и государств-членов ЕС и уменьшить неопределенность с биотопливным законодательством, компании впервые предложили подробный долгосрочный план для европейской политики в области биотоплива, учитывающий интересы топливной и автомобильной отраслей и при этом предусматривающий значительное сокращение выбросов парниковых газов. Разработчики плана утверждают, что в Директиву по возобновляемым источникам энергии и в Директиву по качеству топлива, действие которых распространяется на период до 2020 г., необходимо внести ряд изменений. Кроме того, сейчас еще неясно, как будет развиваться дорожный транспорт после 2020 г.
Согласно "дорожной карте", жидкие топлива будут преобладать в транспортной сфере еще долго. Поэтому задача уменьшения выбросов парниковых газов при их сжигании еще долго останется актуальной. В документе делается вывод о том, что ряд биотоплив могут обеспечить, по крайней мере, долю в размере 8.2-8.8% (из 10%, предусмотренных Директивой по возобновляемым источникам энергии) и снижение выбросов парниковых газов на 4% из 6 %, требуемых Директивой о качестве топлива. На биотопливо к 2020 г. придется 6.7-7%, а к 2030 г. — 12-15% потребляемой в транспортной отрасли энергии, что обеспечит сокращение выбросов парниковых газов на 4% к 2020 г. и на 8% — к 2030 г. Биотоплива следующего поколения (не из продовольственных культур) к 2030 г. займут, по крайней мере, 20% европейского рынка биотоплива.
Что касается отдельных топлив, то "дорожная карта" указывает в качестве ключевых моментов использование метилового эфира в уже существующей дизельной смеси B7 (содержит до 7% биодизеля), максимальное внедрение смеси E10 (10% биоэтанола и 90% бензина) к 2020 г., а также внедрение смеси E20 (20% биоэтанола и 80% бензина) в 2025 г., акцент на разработке новых видов биотоплива, в частности, на основе лигноцеллюлозного сырья и биодизелей, не требующих серьезной технологической модернизации транспорта. Биотопливо на основе лигноцеллюлозного сырья, отходов и других видов сырья, таких как водоросли, все еще будет мало распространено к 2020 г., но уже к 2030 г. может составить более 20% от общего объема дизельного топлива. При поддержке промышленности и соответствующей политике его внедрение может происходить и быстрее.
К спору вокруг биотопливной политики и ее целей, инициированному Европарламентом, "дорожная карта" имеет лишь косвенное отношение, не поддерживая ту или иную позицию и рекомендуя "хорошо взвешенное сочетание обоих подходов". Тем не менее, ее разработчики заявляют, что биотоплива следующего поколения должны играть все большую роль, уменьшая потребность в "обычном" биотопливе.
Водород: второе дыхание
Пока в Европе пытаются определиться с биотопливом, на другой стороне земного шара автопроизводители разрабатывают куда более радикальные планы по замене нефтепродуктов. На последних автомобильных выставках в Токио и Лос-Анджелесе представлены прототипы автомобилей на водороде. Сложности с его использованием все еще заставляют сомневаться относительно его широкого распространения в ближайшем будущем, хотя некоторые СМИ уже пророчат массовое производство водородных автомобилей буквально через пару лет, а первые водородные авто могут появиться в автосалонах развитых стран уже весной следующего года. Похоже, водородные технологии становятся наиболее интенсивно разрабатываемой альтернативой традиционным двигателям внутреннего сгорания на минеральном топливе.
Отметим, что наиболее радикальное решение проблемы дорожающего топлива — электромобиль, все еще является очень дорогим и требует много времени на подзарядку батарей. Гибридные автомобили тоже пока недешевы и сложны в эксплуатации.
Что касается водорода, то с точки зрения сокращения выбросов парниковых газов он выглядит очень привлекательной альтернативой как минеральному топливу, так и биотопливу, поскольку вообще не содержит углерода. Но это вовсе не означает, что водородный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) вообще не производит вредных выбросов. На самом деле водород и кислород лишь в теории дают воду при сгорании. На практике для водородных автомобилей используется обычный воздух, в котором, кроме кислорода, содержится еще азот, углекислый газ и другие соединения. Поэтому такой водородный ДВС дает те же самые вредные выбросы азотистых соединений, что и ДВС на минеральном топливе. Это, а также гораздо меньшая по сравнению с бензином эффективность использования водорода в ДВС, стали основными причинами, по которым автопроизводители вынуждены были отказаться от технологий, предполагающих сжигание водорода.
Развитие получили топливные элементы, в которых химическая энергия извлекается из водорода без горения. В ячейке топливного элемента протекает своего рода "электролиз наоборот". Между анодом и катодом размещен электролит в виде полимерной мембраны, покрытой слоем палладиево-платинового катализатора. К анодной стороне ячейки подводится водород из топливного бака, а к катодной — кислород. Молекулы водорода проходят через электролит от анода к катоду, при этом катализатор у них забирает электроны. Они переходят в электрическую цепь и выполняют полезную работу, прежде чем попасть на катод и замкнуть цепь.
Двигатель на основе таких элементов потенциально в три-четыре раза эффективнее традиционного двигателя внутреннего сгорания. Автомобили с таким двигателем, по сути, являются электромобилями, но без тяжелых батарей. Это решает сразу две проблемы, ограничивающие распространение электромобилей — малый запас хода на одной зарядке и большая длительность зарядки. Если электромобиль на одной зарядке может проехать до 160 км, то водородные авто Honda, Hyundai и Toyota, представленные на недавних выставках, способны без дозаправок проезжать до 500 км. При этом их заправка занимает максимум пять минут.
Водородные технологии быстро совершенствуются. Компании Honda удалось на треть уменьшить размер топливного элемента. Компания Hyundai смогла в течение последних двух лет сократить наполовину расходы на производство водородного автомобиля. Эти две компании продемонстрировали прототипы своих авто на водороде на выставке в Лос-Анджелесе, а Toyota — в Токио. Некоторые другие автопроизводители, в том числе General Motors, также ведут разработки подобных моделей.
Конкурентность водородных топливных элементов растет со снижением их стоимости и времени, требуемого на заправку. По сравнению с быстрым удешевлением водородных топливных элементов прогресс батарей электромобилей почти незаметен. Несмотря на огромные суммы, вложенные в совершенствование литий-ионных батарей, они все еще стоят дорого — около $2 тыс за 1 кВт мощности. Для сравнения — 1 кВт водородной модели Honda Clarity, представленной в 2007 г., стоил около $3.5 тыс (что и стало причиной провала этой концепции). Сегодня стоимость 1 кВт мощности водородного автомобиля снизилась до $1.5 тыс. При массовом производстве она была бы значительно меньше.
Одним из главных препятствий удешевления водородных топливных элементов является высокая стоимость палладиево-платинового катализатора, которое сейчас пытаются решить двумя путями — повышением эффективности катализатора и поиском более дешевых материалов для него.
Насколько экологичен водород?
Часто можно встретить утверждение, что водородные автомобили являются карбон-нейтральными и, следовательно, могут внести заметный вклад в снижение выбросов парниковых газов. Именно это дает надежды на их распространение, в частности, в Калифорнии, которая поставила цель достичь до 2025 г., по меньшей мере, 1.5 млн (или около 15%) продаж транспортных средств с нулевым уровнем выбросов парниковых газов. Аналогичная политика уже принята в семи штатах США, на которые, вместе с Калифорнией, приходится около четверти продаж автомобилей в США.
Но водород — на самом деле не такое уж и "зеленое" топливо. Основной проблемой является получение водорода. Для промышленных нужд его получают из природного газа, но такой способ нельзя назвать экологически чистым — при этом выделяется углекислый газ. Таким образом, двигатель, работающий на водороде из природного газа, не является карбон-нейтральным. По некоторым расчетам, выбросы CO2 при производстве водорода в пересчете на километраж даже больше, чем у небольшого автомобиля на дизтопливе. Кроме того, природный газ проще (и гораздо дешевле) непосредственно использовать в качестве топлива в соответствующих автомобилях.
Если при внедрении водородных автомобилей ставится задача снизить выбросы парниковых газов (как это предусматривает законодательство, принятое в Калифорнии и других штатах США), то использовать для них водород, получаемый обычным путем из газа, нет смысла. При гидролизе CO2 не выделяется, поэтому водород, получаемый таким весьма энергозатратным путем, можно было бы назвать карбон-нейтральным, если бы не одно "но" — в большинстве регионов мира, в т.ч. и в Калифорнии, значительная часть э/э производится на ТЭС, т.е. при ее производстве также выделяется немалое количество парниковых газов.
Кроме того, нигде в мире сейчас не существует инфраструктуры, которая бы позволила пользоваться водородными автомобилями, за исключением Калифорнии, где их пока еще очень мало. Возможно, именно Калифорния станет первым рынком для продаж таких автомобилей — к 2020 г. число водородных заправок в этом штате планируется довести до 100, на что предполагается тратить по $20 млн в год ближайшие десять лет. А создание сети заправок в масштабах США, по разным оценкам, будет стоить от $20 млрд до $500 млрд. Следует добавить, что водородную инфраструктуру также собираются развивать в Германии и Японии, но пока это еще только планы. Если следовать логике сокращения выбросов парниковых газов, то дальше планов дело не пойдет, пока на ТЭС приходится значительная доля выработки э/э.
