Водень і електрика. Як будуть їздити і літати після Ілона Маска

Незабаром залізничний транспорт чекає те, що вже відбувається з автотранспортом, який переходить на водневі і електричні автомобілі. На черзі - электросамолеты, і вони теж вже розробляються і випробовуються, хоча ще п'ять років тому це здавалося неймовірним. Світ дійсно змінюється на очах.

Водневі поїзда

Світовим лідером у перекладі свого залізничного транспорту на нові види двигунів, обходящиеся без шкідливих викидів в атмосферу, є Німеччина. 17 вересня в Нижній Саксонії вперше на планеті почали здійснювати регулярні рейси за 100-кілометровому ділянці залізниці два пасажирських потяги Coradia iLint, що приводяться в дію з допомогою водневих паливних елементів.

Такі потяги будуть витісняти з німецьких залізниць звичайні приміські поїзди, оснащені дизельними двигунами. Будує поїзда Coradia iLint французька компанія Alstom, є одним з найбільших в Європі виробників залізничного транспорту, на своїй фабриці в Зальцгиттере в Нижній Саксонії. Згідно з укладеним нещодавно великим контрактом на суму 81 млн євро, до 2021 р. повинні бути побудовані ще 14 водневих поїздів.

Про плани Німеччини впроваджувати нову технологію стало відомо в жовтні 2014 р., коли Alstom підписала з чотирма німецькими землями (Нижня Саксонія, Північний Рейн-Вестфалія, Баден-Вюртемберг і Гессен) листа про наміри, де зобов'язалася забезпечити сумарно 60 водневих поїздів. Поїзд Coradia iLint вперше був представлений на виставці InnoTrans в Берліні у вересні 2016 р., а в березні 2017 р. пройшли його перші тестові випробування. Він створений на базі дизельного поїзда Coradia Lint 54 і має ті ж динамічні характеристики - його максимальна швидкість складає 140 км/год. Поїзд розрахований на перевезення 300 пасажирів: має 150 сидячих і стільки ж стоячих місць. Крім відсутності шкідливих викидів, ще одним важливим відзнакою водневого варіанти від дизельного є дуже низький рівень шуму, видаваного водневим поїздом при русі навіть на максимальній швидкості.

Як вже згадувалося, джерелом енергії поїзда Coradia iLint є водневі паливні елементи. Вони виробляють енергію в ході реакції об'єднання водню з киснем, поглощаемым з навколишнього повітря. В результаті реакції утворюється чиста вода, що випускається у вигляді пари. Отримана енергія заряджає батарею літій-іонних акумуляторів, яка служить проміжним сховищем енергії, яка використовується для живлення електродвигуна поїзда і різних бортових додатків, включаючи системи кондиціонування повітря, дверні системи і дисплеї для пасажирів.

Звичайно, тут напрошується питання: навіщо потрібні всі ці складності з воднем і батареєю, коли проблема пасажирських перевезень на невеликі відстані чудово вирішується за допомогою звичних електропоїздів, також мають нульові викиди шкідливих речовин у навколишнє середовище? Виявляється, що навіть у Німеччині, країні з дуже розвиненою транспортною інфраструктурою, не всі ділянки залізниць доцільно електрифікувати з економічної точки зору. І за таких ділянок, що проходить десь у глибинці, до останнього часу курсували потяги з дизельними двигунами. А тепер саме ця глибинка стає піонером у впровадженні водневих поїздів.

В даний час перші поїзди Coradia iLint курсують під управлінням ніжнесаксонськой транспортної компанії LNVG. Вони обслуговують ділянку довжиною 100 км, по якому раніше рухалися тільки дизельні поїзди. Він з'єднує чотири міста: Cuxhaven, Бремерхафен, Бремерферде і Букстехуде. Зараз поїзд Coradia iLint заправляється воднем з мобільного "заправної станції" в Бремерферде. Ця станція, яка має 12-метровий водневий бак, буде замінена на стаціонарну в 2021 р., коли в експлуатацію будуть здані ще 14 водневих поїздів. Однією повної заправки поїзда Coradia iLint воднем вистачає на 1000 км пробігу, тобто на цілий день роботи.

"Близько 120 дизельних поїздів у нашому автопарку дійдуть до кінця свого життя протягом наступних 30 років, тобто нам доведеться їх замінити. Досвід, накопичений в цьому проекті, допоможе нам знайти надійне і практичне вирішення проблеми заміни парку старих потягів", - розповіла керівниця LNVG Кармен Шуобл на урочистостях в Бремерферде, що відбулися 16 вересня з приводу відкриття рейсів Coradia iLint.

У свою чергу, голова і головний виконавчий директор Alstom Генрі Пупарт-Лафарж назвав цю подію революцією і підкреслив: "Coradia iLint відкриває на залізничному транспорті нову еру - без викидів. Це інновація, яка є результатом спільної роботи франко-німецької команди і служить прикладом успішного транскордонного співробітництва".

Федеральний уряд Німеччини активно підтримувало розробку і тестування нової технології в Нижній Саксонії, надаючи кошти з Національної інноваційної програми з технології водню і паливних елементів. Федеральний комісар по залізничному транспорту і держсекретар федерального міністерства транспорту та цифрової інфраструктури Энак Ферлеманн підкреслив: "Водень - це реальна, екологічно чистий і ефективна альтернатива дизелю, особливо там, де повітряні лінії електропередач неекономічні або поки недоступні. Тому ми підтримуємо і фінансуємо цю технологію, щоб розширити її впровадження".

Правда, при всіх плюсах для екології, з економічної точки зору водневі потяги обходяться дорожче дизельних. Однак менеджер цього проекту компанії Alstom Стефан Шранк запевняє: "Єдиний мінус наших поїздів - їх вартість і витрати на утримання заправок, але зате обслуговування самих поїздів вимагає набагато менших витрат. Тому в перспективі поїзда на водневому паливі по рентабельності вирівняються з дизельними". Розумна енергетична система дозволяє Coradia iLint витрачати паливо максимально ефективним способом. А регенеративна система гальмування додає енергію в акумуляторну батарею і тим самим теж забезпечує економію палива.

Тим не менш, все ще залишається питання про те, звідки брати водень. На початковому етапі Alstom буде виділяти водень із промислових викидів. Але паралельно компанія шукає зелені методи для виробництва палива для Coradia iLint. Недавні інвестиції Німеччини в Energiepark Mainz - завод, призначений для виробництва водню з енергії вітру, - також можуть стати життєздатним джерелом водню.

Амбітні плани Alstom не обмежуються Німеччиною. Компанія стверджує, що поїзд Coradia iLint викликав великий інтерес у залізничних операторів у Великобританії, Нідерландах, Данії, Норвегії, Італії та Канаді. А уряд Франції вже оголосило, що до 2022 р. перший французький водневий потяг буде на рейках.

Потяги на акумуляторах

Звичайно, зважаючи світового буму на електрокари не могли не з'явитися ідеї поїздів на електричних акумуляторах. Ці ідеї теж вже впроваджуються в Європі - зокрема, у тій же Німеччині та в Австрії.

12 вересня компанія Bombardier Transportation представила в Берліні і запустила в пробний рейс поїзд Talent 3, який працює на літій-титанових акумуляторах. Там же, в Берліні, і розташована штаб-квартира Bombardier Transportation, а сама ця компанія входить до складу канадської корпорації Bombardier. Розвиток технології поїзда з батарейним харчуванням субсидується федеральним урядом Німеччини в рамках інноваційної програми по електромобілям.

Нові транспортні засоби, наголошує компанія, не виробляють шкідливих викидів в атмосферу, є енергетично ефективними і малошумними. Згідно порівняльного дослідження Дрезденського технічного університету, поїзд з батарейним живленням має явну перевагу над дизельним поїздом щодо загальних витрат за весь 30-річний термін експлуатації. "Близько 40% німецької залізничної мережі не електрифіковано. Talent 3 є привабливим варіантом для уряду з точки зору як економіки, так і екології", - підкреслив глава Bombardier Transportation Міхаель Форер.

Перспективи поїздів на акумуляторах розширюються пропорційно збільшенню ємності батарей. Поточний прототип Talent 3 оснащений чотирма тяговими батареями Bombardier Mitrac і може проїхати без підзарядки 40 км. Для густонаселеної Німеччини з її відносно короткими відстанями між містами цього часто достатньо. А в містах, де ділянки залізниць зазвичай електрифіковані, поїзд може заряджатися від повітряної лінії електропередач.

Вже до 2019 р., за повідомленням компанії, залізничний оператор Deutsche Bahn почне двенадцатимесячную пробну експлуатацію пасажирського поїзда Talent 3 в районі Баденського озера в передгір'ях Альп. І в тому ж році компанія обіцяє появу наступного покоління поїздів з акумуляторами, яке зможе долати відстані до 100 км на неелектрифікованих залізничних дорогах.

Тим часом 10 вересня у Відні австрійський залізничний перевізник ÖBB разом з компанією Siemens Mobility представили власний концепт потяги з електричним акумулятором. Вони анонсували, що нові поїзди Desiro ML Cityjet Eco будуть використовуватися на австрійських залізницях з другої половини 2019 р.

У Desiro ML Cityjet Eco встановлені літій-титанові акумулятори, що заряджаються при русі по електрифікованої залізниці. Якщо поїзд виїжджає на неэлектрифицированный ділянку, система управління автоматично перемикає живлення на акумулятори. Нові поїзди здатні розвивати швидкість до 120 км/год на акумуляторах і до 140 км/год при живленні від мережі. Їх випробування на залізниці почнуться до кінця 2018 р.

За оцінкою розробників, новий поїзд з акумуляторними батареями дозволить знизити викиди вуглекислого газу щонайменше на 50% порівняно з дизельними поїздами. При оцінці враховувалися викиди теплових електростанцій, що забезпечують електрифіковані ділянки залізниць.

Электросамолеты

Електромобілі дали потужний поштовх розвитку аналогічних технологій не тільки на залізничному транспорті, але і в авіації. Розробкою электросамолетов зайнялися і великі компанії, і маленькі стартапи. Набирає обертів тренд став досить помітним, щоб привернути увагу Financial Times, яка присвятила йому детальний огляд.

Авіаіндустрія, як і багато інші галузі, стикається з тиском з-за викидів в атмосферу: 2% від їхнього загального обсягу припадає на літаки. Якщо кожні 15 років повітряний трафік подвоюється, то викиди шкідливих речовин щорічно зростають на 4,5-6%. За підрахунками консалтингової компанії Roland Berger, у 2050 р. авіаційні викиди складуть 10% від загального обсягу. Європейські власті намагаються домогтися зниження такої динаміки - програма Flightpath 2050, прийнята Єврокомісією в 2011 р. передбачає скорочення викидів на 75% для одного пасажиро-кілометра. Але без технології електротяги домогтися цього буде неможливо.

Ідея польотів з використанням електрики тільки здається нової. Ще в 1883 р. француз Гастон Тиссандьє став першим повітроплавцем, який полетів на дирижаблі з електричним двигуном Siemens. Але інженери все це час не могли зрозуміти, як зробити електричні силові системи одночасно легкими і міцними, щоб з їх допомогою вдалося запустити пасажирський літак. Розвиток електромобілів призвело до того, що тепер можна створити батареї, які б підійшли для комерційних польотів. "Питання в тому, коли з'явиться авіація, працює на електроенергії, а не в тому, чи буде вона створена взагалі", - говорить глава авіапарку одного з найбільших лоукостерів в Європі EasyJet Кріс Ессекс.

Але поки технології все-таки обмежені, з-за чого в найближчому майбутньому більшість электролайнеров будуть гібридними - у них будуть одночасно працювати газові турбіни і силові електрогенератори. Фантастичною місткості таких літаків очікувати не варто. В основному компанії працюють над невеликими лайнерами. Airbus спільно з Siemens і Rolls-Royce розробляють лайнер з електродвигуном, призначений для перевезення 50-100 пасажирів. Перші випробування літального апарату відбудуться у 2020 р., а в 2030-і электросамолет вже повинен буде здійснювати пасажирські рейси. Стартап Zunum працює над 12-місцевим літаком, плануючи випустити його до 2022 р., а також над його 50-місцевої модифікацією - вона повинна вийти до 2030 р.

Про сплеск популярності электроавиации говорять такі цифри: у минулому році було анонсовано таку ж кількість проектів, що і за попередні дев'ять років. Домінують невеликі компанії: тільки 30% анонсів були від великих гравців на кшталт Boeing, Airbus і Rolls-Royce, решта 70% - від стартапів і нових компаній в галузі аерокосмічної промисловості. "Те, що було анонсовано - це, можливо, тільки верхівка айсберга, в Китаї особливо. Ховається дуже багато інформації. Навіть у західному світі про багатьох проектах розповідають крізь зуби", - говорить партнер консалтингової компанії Roland Berger Роберт Томсон.

Найбільш амбітні плани у Норвегії - вона до 2040 р. планує перевести на літаки з електродвигунами всю свою внутрішню авіацію. Варто врахувати, що внутрішні перельоти в цій країні користуються великою популярністю через непростого рельєфу місцевості. Автомобіль може добиратися до місця призначення кілька годин, а на літаку цей шлях проробляється всього за 12 хвилин (стільки триває найкоротший норвезький авіарейс).

Електричні двигуни, до речі, не єдиний напрям в електрифікації авіатранспорту. Досить давно тестується техніка, повністю працює на сонячних батареях. У липні 2016 р. літак Solar Impulse 2 здійснив кругосвітній політ - для літального апарату, який отримував лише енергію сонця, це було вперше.

Электроавиация здається перспективною сферою, але причини, з яких вона поки не може конкурувати з традиційними літаками, нікуди не зникли. Батареї та паливні елементи важать дуже багато, а високі напруги у верхніх шарах атмосфери ведуть до підвищеного ризику електричних загорянь. Також доведеться вирішити проблему втрати потужності в гібридних системах - через традиційні газові турбіни залишаються більш ефективними.

Крім того, є питання до того, як буде розвиватися комерційний ринок электроавиации. Boeing і Airbus вважають, що робити прогнози по його об'єму поки важко (хоча Zunum пророкує $1 трлн). Віце-президент аэромеханического напрямки Boeing Навід Хуссейн побоюється, що ні авіакомпанії, ні пасажири не готові доплачувати за літак з електричним двигуном.

Тим не менше, головний технічний директор Rolls-Royce Підлогу Штейн впевнений, що по мірі розвитку технологій ситуація буде змінюватися. В інтерв'ю The Guardian він назвав три категорії літаків, які першими перейде на електротягу. До першої категорії відносяться авіатаксі - невеликі літальні апарати, розраховані на 1-4 пасажирів, з запасом ходу не більше 120 км. "Для таких суден акумулятори вже практично готові", - сказав Штайн.

Ймовірно, саме цим пояснюється зростаюча популярність літаючих автомобілів, а саме так зараз прийнято називати невеликі повітряні таксі. The Guardian наводить в якості прикладів належить китайській Geely стартап Terrafugia, а також словенську компанію Pipistrel. Свою версію авіатаксі розробляє і Airbus. У 2015 р. спроектований компанією двомісний минисамолет E Fan перетнув Ла-Манш.

Другий ринок, який виграє від переходу на електротягу, - це регіональні літаки на 10-100 пасажирів. Як раз такий літак Airbus, Rolls-Royce і Siemens планують випустити до 2030-му рр. "Наше завдання - це літальний апарат з нерухомим крилом і гібридною установкою, розрахований на регіональні перельоти", - зауважив Стейн. І нарешті, третій ринок - це ринок комерційних перевезень на короткі відстані.

Літаки на водні

Конкурентна ідея в авіації, як і на залізницях, - це водень. Першим ще в лютому-березні 2008 р. був випробуваний літак Dimona корпорації Boeing. Двомісний літак оснастили електричним двигуном, що використовує енергію водневих паливних осередків. Літак на водні здійснив три випробувальних польоту в Іспанії, де піднімався на висоту 1 км і набрав крейсерську швидкість в 100 км/год.

У жовтні 2016 р. в Німеччині здійснив перший політ чотиримісний літак HY4 з водневими паливними елементами, розроблений компанією H2Fly. На його базі компанія пообіцяла розробити більш великий водневий пасажирський літак, розрахований на перевезення до 19 осіб.

Третім успішно запущеним водневим літаком став китайський. Лайнер розробили вчені з провінції Ляонін на базі електричного двомісного літака RX1E місцевого виробництва. Тестовий політ провели в січні 2017 р. в місті Шеньян. Лайнер піднявся на висоту в 320 м. Тоді повідомлялося, що вчені оснастили лайнер водневим паливним елементом, який виробляє потужність 20 кВт. З його допомогою здійснюється живлення електромотора, бортових систем, а також йде підзарядка акумуляторів.

Як бачимо, цей напрямок поки що виглядає найслабшою. Але мільярди, вкладені в усьому світі створення наземного водневого транспорту - автомобілів та поїздів, - дають підстави сподіватися, що водневі паливні елементи будуть все більш ємними і дешевими. І це з часом створить нові можливості і для водневих літаків.