Водород и электричество. Как будут ездить и летать после Илона Маска

В скором времени железнодорожный транспорт ожидает то, что уже происходит с автотранспортом, который переходит на водородные и электрические автомобили. На очереди - электросамолеты, и они тоже уже разрабатываются и испытываются, хотя еще лет пять назад это казалось невероятным. Мир действительно меняется на глазах.

Водородные поезда

Мировым лидером в переводе своего железнодорожного транспорта на новые виды двигателей, обходящиеся без вредных выбросов в атмосферу, является Германия. 17 сентября в Нижней Саксонии впервые на планете начали совершать регулярные рейсы по 100-километровому участку железной дороги два пассажирских поезда Coradia iLint, приводимых в действие с помощью водородных топливных элементов.

Такие поезда будут вытеснять с немецких железных дорог обычные пригородные поезда, оснащенные дизельными двигателями. Строит поезда Coradia iLint французская компания Alstom, являющаяся одним из крупнейших в Европе производителей железнодорожного транспорта, на своей фабрике в Зальцгиттере в Нижней Саксонии. Согласно заключенному недавно большому контракту на сумму 81 млн евро, к 2021 г. должны быть построены еще 14 водородных поездов.

О планах Германии внедрять новую технологию стало известно в октябре 2014 г., когда Alstom подписала с четырьмя немецкими землями (Нижняя Саксония, Северный Рейн-Вестфалия, Баден-Вюртемберг и Гессен) письма о намерениях, где обязалась обеспечить суммарно 60 водородных поездов. Поезд Coradia iLint впервые был представлен на выставке InnoTrans в Берлине в сентябре 2016 г., а в марте 2017 г. прошли его первые тестовые испытания. Он создан на базе дизельного поезда Coradia Lint 54 и имеет те же динамические характеристики - его максимальная скорость составляет 140 км/час. Поезд рассчитан на перевозку 300 пассажиров: имеет 150 сидячих и столько же стоячих мест. Помимо отсутствия вредных выбросов, еще одним важным отличием водородного варианта от дизельного является очень низкий уровень шума, издаваемого водородным поездом при движении даже на максимальной скорости.

Как уже упоминалось, источником энергии поезда Coradia iLint являются водородные топливные элементы. Они производят энергию в ходе реакции объединения водорода с кислородом, поглощаемым из окружающего воздуха. В результате реакции образуется чистая вода, испускаемая в виде пара. Получившаяся энергия заряжает батарею литий-ионных аккумуляторов, которая служит промежуточным хранилищем энергии, используемой для питания электродвигателя поезда и различных бортовых приложений, включая системы кондиционирования воздуха, дверные системы и дисплеи для пассажиров.

Конечно, тут напрашивается вопрос: зачем нужны все эти сложности с водородом и батареей, когда проблема пассажирских перевозок на небольшие расстояния замечательно решается при помощи привычных электропоездов, также имеющих нулевые выбросы вредных веществ в окружающую среду? Оказывается, что даже в Германии, стране с очень развитой транспортной инфраструктурой, не все участки железных дорог целесообразно электрифицировать с экономической точки зрения. И по таким участкам, проходящим где-то в глубинке, до последнего времени курсировали поезда с дизельными двигателями. А теперь именно эта глубинка становится пионером во внедрении водородных поездов.

В настоящее время первые поезда Coradia iLint курсируют под управлением нижнесаксонской транспортной компании LNVG. Они обслуживают участок длиной 100 км, по которому раньше двигались только дизельные поезда. Он соединяет четыре города: Куксхафен, Бремерхафен, Бремерферде и Букстехуде. Сейчас поезд Coradia iLint заправляется водородом с мобильной "заправочной станции" в Бремерферде. Эта станция, имеющая 12-метровый водородный бак, будет заменена на стационарную в 2021 г., когда в эксплуатацию будут сданы еще 14 водородных поездов. Одной полной заправки поезда Coradia iLint водородом хватает на 1000 км пробега, то есть на целый день работы.

"Около 120 дизельных поездов в нашем автопарке дойдут до конца своей жизни в течение следующих 30 лет, то есть нам придется их заменить. Опыт, накопленный в этом проекте, поможет нам найти надежное и практичное решение проблемы замены парка старых поездов", - рассказала руководительница LNVG Кармен Шуобл на торжествах в Бремерферде, состоявшихся 16 сентября по поводу открытия рейсов Coradia iLint.

В свою очередь, председатель и главный исполнительный директор Alstom Генри Пупарт-Лафарж назвал это событие революцией и подчеркнул: "Coradia iLint открывает на железнодорожном транспорте новую эру - без выбросов. Это инновация, которая является результатом совместной работы франко-немецкой команды и служит примером успешного трансграничного сотрудничества".

Федеральное правительство Германии активно поддерживало разработку и тестирование новой технологии в Нижней Саксонии, предоставляя средства из Национальной инновационной программы по технологии водорода и топливных элементов. Федеральный комиссар по железнодорожному транспорту и госсекретарь федерального министерства транспорта и цифровой инфраструктуры Энак Ферлеманн подчеркнул: "Водород - это реальная, экологически чистая и эффективная альтернатива дизелю, особенно там, где воздушные линии электропередач неэкономичны или пока недоступны. Поэтому мы поддерживаем и финансируем эту технологию, чтобы расширить ее внедрение".

Правда, при всех плюсах для экологии, с экономической точки зрения водородные поезда обходятся дороже дизельных. Однако менеджер этого проекта компании Alstom Стефан Шранк уверяет: "Единственный минус наших поездов - их стоимость и расходы на содержание заправок, но зато обслуживание самих поездов требует гораздо меньших расходов. Поэтому в перспективе поезда на водородном топливе по рентабельности выровняются с дизельными". Умная энергетическая система позволяет Coradia iLint расходовать топливо максимально эффективным способом. А регенеративная система торможения добавляет энергию в аккумуляторную батарею и тем самым тоже обеспечивает экономию топлива.

Тем не менее, все еще остается вопрос о том, откуда брать водород. На начальном этапе Alstom будет выделять водород из промышленных выбросов. Но параллельно компания ищет зеленые методы для производства топлива для Coradia iLint. Недавние инвестиции Германии в Energiepark Mainz - завод, предназначенный для производства водорода из энергии ветра, - также могут стать жизнеспособным источником водорода.

Амбициозные планы Alstom не ограничиваются Германией. Компания утверждает, что поезд Coradia iLint вызвал большой интерес у железнодорожных операторов в Великобритании, Нидерландах, Дании, Норвегии, Италии и Канаде. А правительство Франции уже объявило, что к 2022 г. первый французский водородный поезд будет на рельсах.

Поезда на аккумуляторах

Конечно, ввиду мирового бума на электрокары не могли не появиться идеи поездов на электрических аккумуляторах. Эти идеи тоже уже внедряются в Европе - в частности, в той же Германии и в Австрии.

12 сентября компания Bombardier Transportation представила в Берлине и запустила в пробный рейс поезд Talent 3, который работает на литий-титановых аккумуляторах. Там же, в Берлине, расположена и штаб-квартира Bombardier Transportation, а сама эта компания входит в состав канадской корпорации Bombardier. Развитие технологии поезда с батарейным питанием субсидируется федеральным правительством Германии в рамках инновационной программы по электромобилям.

Новые транспортные средства, подчеркивает компания, не производят вредных выбросов в атмосферу, являются энергетически эффективными и малошумными. Согласно сравнительному исследованию Дрезденского технического университета, поезд с батарейным питанием имеет явное преимущество над дизельным поездом в отношении общих затрат за весь 30-летний срок эксплуатации. "Около 40% немецкой железнодорожной сети не электрифицировано. Talent 3 является привлекательным вариантом для правительства с точки зрения как экономики, так и экологии", - подчеркнул глава Bombardier Transportation Михаэль Форер.

Перспективы поездов на аккумуляторах расширяются пропорционально увеличению емкости батарей. Текущий прототип Talent 3 оснащен четырьмя тяговыми батареями Bombardier Mitrac и может проехать без подзарядки 40 км. Для густонаселенной Германии с ее относительно короткими расстояниями между городами этого зачастую достаточно. А в городах, где участки железных дорог обычно электрифицированы, поезд может заряжаться от воздушной линии электропередач.

Уже в 2019 г., по сообщению компании, железнодорожный оператор Deutsche Bahn начнет двенадцатимесячную пробную эксплуатацию пассажирского поезда Talent 3 в районе Баденского озера в предгорьях Альп. И в том же году компания обещает появление следующего поколения поездов с аккумуляторами, которое сможет покрывать расстояния до 100 км на неэлектрифицированных железных дорогах.

Тем временем 10 сентября в Вене австрийский железнодорожный перевозчик ÖBB вместе с компанией Siemens Mobility представили собственный концепт поезда с электрическим аккумулятором. Они анонсировали, что новые поезда Desiro ML Cityjet Eco будут использоваться на австрийских железных дорогах со второй половины 2019 г.

В Desiro ML Cityjet Eco установлены литий-титановые аккумуляторы, которые заряжаются при движении по электрифицированной железной дороге. Если поезд выезжает на неэлектрифицированный участок, система управления автоматически переключает питание на аккумуляторы. Новые поезда способны развивать скорость до 120 км/час на аккумуляторах и до 140 км/час при питании от сети. Их испытания на железной дороге начнутся до конца 2018 г.

По оценке разработчиков, новый поезд с аккумуляторными батареями позволит снизить выбросы углекислого газа по меньшей мере на 50% по сравнению с дизельными поездами. При оценке учитывались выбросы тепловых электростанций, снабжающих электрифицированные участки железных дорог.

Электросамолеты

Электромобили дали мощный толчок развитию аналогичных технологий не только на железнодорожном транспорте, но и в авиации. Разработкой электросамолетов занялись и крупные компании, и маленькие стартапы. Набирающий обороты тренд стал достаточно заметным, чтобы привлечь внимание Financial Times, которая посвятила ему подробный обзор.

Авиаиндустрия, как и многие другие отрасли, сталкивается с давлением из-за выбросов в атмосферу: 2% от их общего объема приходится на самолеты. Если каждые 15 лет воздушный трафик удваивается, то выхлопы вредных веществ ежегодно растут на 4,5-6%. По подсчетам консалтинговой компании Roland Berger, в 2050 г. авиационные выбросы составят 10% от общего объема. Европейские власти пытаются добиться снижения такой динамики - программа Flightpath 2050, принятая Еврокомиссией в 2011 г., предусматривает сокращение выбросов на 75% для одного пассажиро-километра. Но без технологии электротяги добиться этого будет невозможно.

Идея полетов с использованием электричества только ⁠кажется новой. Еще в 1883 ⁠г. француз Гастон Тиссандье стал ⁠первым воздухоплавателем, который полетел на дирижабле ⁠с электрическим двигателем Siemens. Но инженеры все это время ⁠не могли ⁠понять, как сделать электрические силовые системы одновременно легкими и мощными, чтобы с их помощью удалось запустить пассажирский самолет. Развитие электромобилей привело к тому, что теперь можно создать батареи, которые бы подошли для коммерческих полетов. "Вопрос в том, когда появится авиация, работающая на электроэнергии, а не в том, будет ли она создана вообще", - говорит глава авиапарка одного из крупнейших лоукостеров в Европе EasyJet Крис Эссекс.

Но пока технологии все-таки ограничены, из-за чего в обозримом будущем большинство электролайнеров будут гибридными - в них будут одновременно работать газовые турбины и силовые электрогенераторы. Фантастической вместимости таких самолетов ожидать не стоит. В основном компании работают над небольшими лайнерами. Airbus совместно с Siemens и Rolls-Royce разрабатывают лайнер с электродвигателем, предназначенный для перевозки 50-100 пассажиров. Первые испытания летательного аппарата состоятся в 2020 г., а в 2030-е электросамолет уже должен будет совершать пассажирские рейсы. Стартап Zunum работает над 12-местным самолетом, планируя выпустить его к 2022 г., а также над его 50-местной модификацией - она должна выйти к 2030 г.

О всплеске популярности электроавиации говорят такие цифры: в прошлом году было анонсировано такое же количество проектов, что и за предыдущие девять лет. Доминируют небольшие компании: только 30% анонсов были от крупных игроков вроде Boeing, Airbus и Rolls-Royce, остальные 70% - от стартапов и новых компаний в сфере аэрокосмической промышленности. "То, что было анонсировано - это, возможно, только верхушка айсберга, в Китае особенно. Скрывается очень много информации. Даже в западном мире о многих проектах рассказывают сквозь зубы", - говорит партнер консалтинговой компании Roland Berger Роберт Томсон.

Наиболее амбициозные планы у Норвегии - она к 2040 г. планирует перевести на самолеты с электродвигателями всю свою внутреннюю авиацию. Стоит учесть, что внутренние перелеты в этой стране пользуются большой популярностью из-за непростого рельефа местности. Автомобиль может добираться до точки назначения несколько часов, а на самолете этот путь проделывается всего за 12 минут (столько длится самый короткий норвежский авиарейс).

Электрические двигатели, кстати, не единственное направление в электрификации авиатранспорта. Достаточно давно тестируется техника, целиком работающая на солнечных батареях. В июле 2016 г. самолет Solar Impulse 2 совершил кругосветный полет - для летательного аппарата, который получал только энергию солнца, это было впервые.

Электроавиация кажется перспективной сферой, но причины, из-за которых она пока не может конкурировать с традиционными самолетами, никуда не исчезли. Батареи и топливные элементы весят слишком много, а высокие напряжения в верхних слоях атмосферы ведут к повышенному риску электрических возгораний. Также придется решить проблему потери мощности в гибридных системах - из-за этого традиционные газовые турбины остаются более эффективными.

Кроме того, есть вопросы к тому, как будет развиваться коммерческий рынок электроавиации. Boeing и Airbus считают, что делать прогнозы по его объему пока затруднительно (хотя Zunum пророчит $1 трлн). Вице-президент аэромеханического направления Boeing Навид Хуссейн опасается, что ни авиакомпании, ни пассажиры не готовы доплачивать за самолет с электрическим двигателем.

Тем не менее, главный технический директор Rolls-Royce Пол Штейн уверен, что по мере развития технологий ситуация будет меняться. В интервью The Guardian он назвал три категории самолетов, которые первыми перейдет на электротягу. К первой категории относятся авиатакси - небольшие летательные аппараты, рассчитанные на 1-4 пассажиров, с запасом хода не более 120 км. "Для таких судов аккумуляторы уже практически готовы", - сказал Штайн.

Вероятно, именно этим объясняется возросшая популярность летающих автомобилей, а именно так сейчас принято называть небольшие воздушные такси. The Guardian приводит в качестве примеров принадлежащий китайской Geely стартап Terrafugia, а также словенскую компанию Pipistrel. Свою версию авиатакси разрабатывает и Airbus. В 2015 г. спроектированный компанией двухместный минисамолет E Fan пересек Ла-Манш.

Второй рынок, который выиграет от перехода на электротягу, - это региональные самолеты на 10-100 пассажиров. Как раз такой самолет Airbus, Rolls-Royce и Siemens планируют выпустить к 2030-м гг. "Наша задача - это летательный аппарат с неподвижным крылом и гибридной установкой, рассчитанный на региональные перелеты", - отметил Штайн. И наконец, третий рынок - это рынок коммерческих перевозок на короткие расстояния.

Самолеты на водороде

Конкурентная идея в авиации, как и на железных дорогах, - это водород. Первым еще в феврале-марте 2008 г. был испытан самолет Dimona корпорации Boeing. Двухместный самолет оснастили электрическим двигателем, использующим энергию водородных топливных ячеек. Самолет на водороде совершил три испытательных полета в Испании, где поднимался на высоту 1 км и набирал крейсерскую скорость в 100 км/час.

В октябре 2016 г. в Германии совершил первый полет четырехместный самолет HY4 с водородными топливными элементами, разработанный компанией H2Fly. На его базе компания пообещала разработать более крупный водородный пассажирский самолет, рассчитанный на перевозку до 19 человек.

Третьим успешно запущенным водородным самолетом стал китайский. Лайнер разработали ученые из провинции Ляонин на базе электрического двухместного самолета RX1E местного производства. Тестовый полет провели в январе 2017 г. в городе Шэньяне. Лайнер поднялся на высоту в 320 м. Тогда сообщалось, что ученые оснастили лайнер водородным топливным элементом, который вырабатывает мощность в 20 кВт. С его помощью осуществляется питание электромотора, бортовых систем, а также идет подзарядка аккумуляторов.

Как видим, это направление пока что выглядит самым слабым. Но миллиарды, вкладываемые во всем мире в создание наземного водородного транспорта - автомобилей и поездов, - дают основания надеяться, что водородные топливные элементы будут все более емкими и дешевыми. И это со временем создаст новые возможности и для водородных самолетов.