Грузовой автотранспорт на водородном топливе

Контрасты цивилизации

Дрова – самое первое топливо в жизни цивилизации, осталось на задворках современной жизни. Но после появления ДВС начали затухать и угольные колосники паровозов. Прометеев огонь в топках паровозов и пароходов в 1960-х массово угас не потому, что на планете закончился антрацит и дрова. В линейной эксплуатации ради сжигания 10 тонн угля локомотиву нужно возить цистерну воды и пополнять её каждые 100 км. Гужевой транспорт из того же числа – попасть ногой в помёт было обыденным случаем горожанина XV–XIX века, что мы найдём в строчках у Поля Скарона и Пушкина. А теперь детей в парках катают на отутюженных пони.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) тоже уйдут в историю. Увы! Гигиена общества в больших городах заставляет отказаться от всего некомфортного. Но случаются и казусы: в Китае на государственных карьерах работают паровозы, а рядом частные компании из шахт руду таскают уже на карьерных электросамосвалах BYD V60 (см. «Китай готов к кризису»).

До 2050 года мы вряд ли простимся с ДВС. Но поколение, родившееся в 1980-х в СССР, США, ФРГ и Японии, станет первым, которое на закате своей жизни застанет год, месяц и тот день, когда рычащий автомобиль с ДВС можно будет увидеть только на ретро-шоу или ностальгическом авторалли.

Продажа прогресса оптом

Норвежская оптово-торговая компания ASKO в числе первых начала опытную эксплуатацию 4 электрогрузовиков Scania G350, оснащённых водородными топливными элементами. В феврале к ним добавились ещё 2 машины, а общий парк до 2023 года составит 75 грузовиков.

Для их обслуживания при помощи независимой исследовательской компании SINTEF и Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) построена собственная водородная заправочная станция возле Тронхейма.

Водородные топливные элементы производства Canadian Hydrogenics генерируют непрерывную мощность 245 кВт (пиковая мощность достигает 290 кВт). Максимальный крутящий момент, развиваемый электромотором, составляет 2200 Н·м. Крутящий момент к ведущим осям предаётся через 2-ступенчатую КП. Водород в количестве 33 кг хранится в герметичном резервуаре под давлением 350 бар (345,4 атм), а электричество преобразуется в 90 кВт топливных элементах PEFC. Для запаса энергии используется литий-ионная аккумуляторная батарея общей ёмкостью 56 кВт·ч, оборудованная встроенным зарядным устройством мощностью 22 кВт, запитываемым от комбинированного поста CCS (Combined Charging System). При полном баке водорода его дальность составляет до 500 км.

Полная масса автомобиля составляет 27 (26+1) тонн. «+1» ему выдали по специальному разрешению, поскольку этот «защитник экологии и тишины» имеет избыточную массу электротрансмиссии, и для выравнивая грузоподъёмности со стандартным 26-тонным грузовиком, ему накинули эту дополнительную тонну. Интерес к теме настолько высок, что к ней начали подключаться и специализированные производители электромобилей.

Quantron AG из Аугсбурга, специализирующаяся на переоборудовании автомобилей на электропривод, в середине 2022 года наметила выпуск грузовиков, работающих на водородном топливе. Тяжёлый магистральный тягач Energon Hydrogen рассчитан на вождение 44-тонных автопоездов и в основе имеет капотный IVECO Strator. Заявленные характеристики позволяют обеспечить ему дальность хода около 700 км. Используемый водородный топливный элемент мощностью 130 кВт, поддерживаемый LFP-аккумулятором 110 кВт·ч, питает двигатель мощностью 340 кВт, который приводит задний мост через 2-ступенчатую КП. В дальнейшем Quantron AG намерена полностью освоить рынок тяжёлой техники и представить оригинальный грузовик, который пока представлен лишь на компьютерных рендерах (см. постер). Компания уже принимает предварительные заказы с ценовым преимуществом в 10 тыс. евро. Сейчас Quantron является авторизованным дистрибьютором и сервисным партнёром крупнейшего в мире производителя литий-ионных аккумуляторов и авторизован в качестве дилера CATL в Европе.

Большой бизнес

В Северной Америке у сырьевого лобби слишком высокая инерция, что не позволяет мигом перестроиться даже части экономики США и Канады. Но тренд нарастает и переход к 2027–2033 годам на полностью альтернативные виды топлива в Новом и Старом свете, стартовавший 5 лет назад, уже набирает обороты.

24 июня Калифорнийский совет по воздушным ресурсам утвердил самый жёсткий мандат страны в отношении использования чистого воздуха для грузовых автомобилей. По сути, совет распорядился, чтобы автопроизводители начали продавать автомобили с нулевым уровнем выбросов в 2024 году. К этому году электрический парк должен составить 4000 грузовиков. К 2030 году в Калифорнии планируется продать 100 000 машин, а к 2035 году – 300 000.

После дождя законодательных инициатив, грядки стартапов, даже в США не выглядят одинокими цветниками.

В компании Nikola Motors удалось планово пришить продажи машин к развитию заправок. Сейчас уже намерены построить новых 37 водородных заправок в Калифорнии, увеличив их число до 100. В Аризоне 3 марта объявила даже о создании акционерного общества и слиянии с компанией VectoIQ, состоящей из ветеранов Mitsubishi Motors и GM под патронажем бывшего вице-председателя Стива Гирски. Она совладеет космической компанией Virgin Galactic. Неудивительно что с 6 по 13 мая после открытия торгов на нью-йоркской фондовой бирже акции VectoIQ скакнули на 134,5%.

Ожидается, что во II квартале Nikola Motors уже будет внесена в список на бирже NASDAQ под названием NKLA. Тогда Nikola Motors может распоряжаться новыми инвестициями в размере $525 млн к имеющимся $525 млн, которые он собрал за три раунда финансирования (включая СП в Европе) на развитие выпуска водородных грузовиков. При этом инвестиции затронут всю линейку тягачей (на заставке) для определения наиболее привлекательных. Рыночная капитализация Nikola Motors составляет около $12 млрд, из которых 3,7 млрд приходится на долю основателя Тревора Милтона.

Интересно, что его главный конкурент – генеральный директор компании Tesla Inc. Элон Маск в одном интервью отвергал водородную технологию и даже назвал их «дурацкими ячейками». Его можно понять: он безальтернативно вложился в электромобили с батарейным питанием и тащит на себе космическую программу. А Nikola Motors является пока одной из немногих компаний, которые нацелились на использование больших водородных установок.

Трудный опыт первопроходцев

Первый водородный тягач TTSI был протестирован в рамках совместного партнёрства с компанией Vision Motor Industry. «Этот грузовик был настоящим зверем», – поражался Тони Уильямсон, директор по техническому обслуживанию в TTSI. Он особо подчеркнул, что автомобиль работал в составе автопоезда и использовался для перевозки контейнеров: «У этого тяжеловоза 4455 Н·м (!) крутящего момента. Однажды я поговорил с водителем, который таскал на нём контейнеры, и он сказал, что ему приходится постоянно оглядываться назад, чтобы убедиться, что контейнер всё ещё в пути – вот сколько мощности в этом грузовике».

Прямо сейчас TTSI эксплуатирует 3 седельных тягача Kenworth Т680 с разными начинками. Первый, с ячейками Toyota, оборудован двумя синхронными электродвигателями с общей пиковой мощностью 565 л.с. Этот автомобиль находится в эксплуатации уже 2 года. Второй грузовик (работает 1 год) и оснащён топливными элементами TransPower. И третий грузовик укомплектован Н2-элементами U.S. Hybrid II поколения. Он работает уже 15 месяцев. В ближайшие месяцы руководство TTSI планирует приобрести ещё 7 водородных тягачей.

Работа по 6 дней в неделю, из которых 4 дня проходят в 2 смены, что даёт в среднем 20 рабочих часов в день. Пятничные и субботние смены длятся по 10 часов. Также Уильямсон отметил, что их автомобили перевозят грузы с массой от 16 344 до 18 614 кг (это определяется инструментальным взвешиванием). Поскольку некоторые участки дорог возле калифорнийских портов проходят через холмы, то автопоезда должны преодолевать подъёмы с уклоном до 6%, делая это на скорости от 50 до 65 км/ч. То есть подвижной состав компании работает в напряжённом режиме и однозначно должен быть надёжным.

TTSI на собственном опыте убедилась в плюсах и минусах водородной технологии. Осталось решить вопрос заправки грузовиков. У компании есть собственная водородная АЗС, кроме этого у TTSI челночный транспортный бизнес с небольшими плечами.

Водородные плюсы и минусы

Положительные стороны водорода включают нулевые выбросы вредных ОГ, отсутствие шумового загрязнения. Есть налоговые льготы и государственные субсидии. Водород даёт большой запас мощности и запредельный крутящий момент и более высокий комфорт работы водителя. Водители, работающие на водородных машинах, часто говорят, что от них теперь не пахнет соляркой и отмечают минимальные вибрации в водородных тягачах и акустический комфорт.

Килограмм водорода при комнатных условиях занимает порядка 11,2 м³ объёма. При сжатии до 200 атмосфер в 1 кубометр можно загнать 17,8 кг H₂, а в автомобилях уже используют сосуды на 60 литров давлением 700 атм, вмещающих до 50 кг. Но использование водорода географически пока слишком локально – в размерах округа, района, области или штата, а потому счёт идёт о пробегах в 200–500 км. Больше пока не нужно.

По оптимистичному исследованию агентства Bloomberg, проведённому в 2017 году, к 2040 году автомобильный транспорт ежедневно будет потреблять 1900 ТВт·ч (терраватт-час) электроэнергии, что станет эквивалентно затратам в 13 млн баррелей нефти. Сравните цифры: сейчас в мире ежедневно добывается 80 млн баррелей нефти и около 70% добычи (56 млн т) уходит только на транспорт. Сюда входят не только АЗС, привод рефрижераторов, но и керосин для авиатранспорта, мазут для судов и даже ТЭЦ, использующиеся для запитывания линий электротранспорта (ж-д, метро, трамваи, троллейбусы, электробусы, складской и горный транспорт).

Но дальше сложнее. Объёмная энергетическая плотность водорода не превышает 4,7 ГДж/м³ (при 70 МПа). Это в 7 раз меньше показателя бензина, (34,5 ГДж/м³) и в 20 раз меньше (142 МДж/кг), чем показал водородно-бензиновый гибрид BMW Hydrogen 7 с кузовом E65. К тому же у таких ДВС крайне низкий ресурс и высок риск детонации.

Стоит накинуть сюда цену. Стоимость водорода сейчас колеблется от 10 до 16 долларов за 1 кг. Пробег на 1 кг топлива у 40-тонного водородного грузовика сейчас не превышает 10 км. Магистральный дизельный тягач тратит на каждую тонну 1 л на 100 км пробега. При цене на солярку в США в 64 цента за 1 литр, содержание водородного тягача – это просто грабёж!

Расходы на ТО водородных электрогрузовиков учитывать пока затруднительно. Ведь речь идёт о новейших автомобильных технологиях и относительно новых транспортных средствах. Грузовики с водородными элементами, имеют бόльшую снаряжённую массу, чем их аналоги. Так вес седельного тягача составляет от 9988 до 10 900 кг. Обычный дизельный весит от 7037 до 7265 кг, а с СПГ – не больше 7718 кг. В итоге даже при всех вычетах налогов и полученных субсидиях у калифорнийской компании TTSI по итогам 2019 года вышло 20-кратное увеличение расходов на заправку. И это при том, что часть расходов на себя берут производители оборудования в рамках НИОКР.

Минусов пока больше. Все они упираются в бухгалтерию. Стоимость покупки грузовиков на водородных топливных элементах в 1,6 раза выше, чем их традиционных аналогов (200 тыс. долларов против 125 тыс. за дизельный тягач). Высокотехнологичные компоненты: аккумуляторы, инверторы, топливные элементы и т.д. увеличивают страховые ставки.

Владелец водородного грузовика в таком случае будет вынужден искать только высокомаржинальные грузы или контейнеры с высокими ставками фрахта. И кого-то в портах или терминальных складах нужно ещё заинтересовать обеспечением этих подрядов, чтобы бизнес не вылетел в трубу. Иначе машину не окупить.

В итоге получается, что массовый переход на водород возможен только при массовом производстве водорода и комплектующих. И об этом тоже следует рассказать.

Бизнес-проект дизельного гиганта

За последние пару лет мировой лидер дизельного двигателестроения – корпорация Cummins сформировала новый бизнес-проект на перспективу. Изначально он был ориентирован на электромобили с батарейным питанием (BEV), однако недавно, в течение двух лет, Cummins приобрела 4 компании, связанные с технологией водородных топливных элементов: Brammo, Johnson Matthey Battery Systems, Efficient Drivetrains Inc. и Hydrogenics. На данный момент Cummins предоставила более 20 силовых модулей на топливных элементах

«Естественно, мы хотим сделать эту технологию жизнеспособной и прибыльной, и некоторые из новых правительственных стимулов помогут при создании Н2-инфраструктуры, снижении стоимости водорода и других вещах, которые очень важны для внедрения нового альтернативного топлива», – отметил Джефф Сегер, исполнительный директор отдела новых приобретений корпорации Cummins.

Среди свежих разработок топливные элементы для мусоровозов и уборочных машин FAUN на шасси Mercedes-Benz Econic. Каждый из грузовиков содержит три топливных элемента мощностью до 30 кВт на элемент. Каждый грузовик имеет до 6 сосудов с водородом, вместимостью по 4 кг водорода на каждый резервуар.

Руководство североамериканского совета по эффективности грузовых автомобильных перевозок (North American Council for Freight Efficiency’s – NACFE) подтверждают правильность революционных решений: «Сегодня список альтернативных видов топлива и связанных с ними новых силовых агрегатов растёт. Эти технологии начинают выходить на уровень мелкосерийного производства. Ещё недавно лидерами альтернативного направления были силовые агрегаты, работающие на газомоторном топливе, но в данный момент основная часть инвестиций идёт в водородные и аккумуляторные электромобили».

В NACFE полагают, что сейчас не существует единственного верного технического решения, которое в итоге заменит ДВС. Вместо этого специализация и региональные факторы подталкивают рынок к «многотопливному будущему», где многие из развиваемых технологий будут вместе сосуществовать.

Японский водород

Крупнейший изготовитель коммерческих автомобилей в Японии – компания Hino Motors Co., Ltd, входящая в корпорацию Toyota Motor Corporation, недавно продемонстрировала водородную версию флагманской модели Profia, которая может использоваться для городской логистики. Фактически модель является продолжением политики расширения новой среды, реализованной в водоробусе Toyota SORA Fuel Cell Bus 4K 2 HD.

Электрогрузовик представляет собой 25-тонное шасси Hino Profia FR1AWHG, который оснастили синхронным электродвигателем переменного тока мощностью 320 кВт и двумя модулями водородных топливных элементов Toyota FC stack с полимерным электролитом. Они хорошо обкатаны на Toyota Mirai и электробусах Hino. Также в грузовике будет установлен новейший водородный бак большой ёмкости, в котором топливо хранится под высоким давлением в 70 МПа. Этого объёма топлива достаточно для покрытия приблизительно 600 км пути. Литий-ионный аккумулятор накапливает рекуперированную энергию при торможении и используется для разогрева блока водородных элементов перед запуском.

В машине установлен контроль непроизвольного выхода из занимаемой полосы движения, система PCS, упреждающей столкновение с остановившимися транспортными средствами, системой Driver Monitor, оценивающей состояние водителя и позволяющей предотвратить засыпание за рулем. Снаряжённая масса грузовика составляет 13 200 кг. Габаритные размеры Hino Profia вполне соотносятся с «одноклассниками» – 11 990 х 2490 х 3780 м.

Пока рано судить о перспективах водородного Hino в Европе, поскольку японцы уже подписали соглашение о сотрудничестве с Volkswagen Group, а этом автогигант не захочет иметь конкурента для своих Scania и MAN. Тем более, что Scania тоже готовит к продвижению на рынок свою водородную модель. Но обмен Н₂-технологиями между концернами Toyota и Volkswagen представляется вполне реальным.

В то же время корейский концерн Hyundai не прекращает поиски партнёров для реализации своих грузовиков H2 XCient Fuel Cell в Европе. С 2021 года французская Faurecia начнёт поставки систем хранения водорода (включая 10 000 водородных сосудов для грузовиков). В течение 4 лет ими будут оборудованы около 1600 тяжёлых грузовиков производства швейцарской Hyundai Hydrogen Mobility – совместного предприятия Hyundai и H2 Energy. Планы пока захватывают дух: к 2030 году около 2 миллионов новых транспортных средств, включая 350 000 коммерческих автомобилей, будут оснащены технологией топливных элементов.

И тут возникает вопрос. Что же произойдёт с электрическими грузовиками?