CC BY
378
їетров
КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ВОДОРОДА КАК МОТОРНОГО ТОПЛИВА НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ
Введение. Анализ количества автомобилей в мире позволяет делать выводы о значительном увеличении автомобильного транспорта в первой половине текущего столетия. Автомобиль в большинстве стран стал наиболее доступным и удобным средством передвижения. Однако с увеличением парка автомобилей растут потребности в топливе для них и выбросы вредных веществ в окружающую среду. Современное состояние автомобильного транспорта по используемым видам топлива выглядит следующим образом: дизельные (23,6%), газовые (~1%), гибридные (около 1%), альтернативное топливо и водород менее 0,4%, бензиновые двигатели (74%) [1]. Основным топливом на транспорте является бензин, который получается из сырой нефти и обладает такими свойствами, как:
• наличие значительного количества примесей в продуктах сгорания;
• большая токсичность в случае утечки;
• стоимость бензина имеет устойчивый тренд к росту по мере истощения легкодоступных месторождений нефти.
Тем не менее, очевидны и определенные преимущества бензина. Это, прежде всего, относительно низкая стоимость, высокая эффективность на сегодняшний день и развитая инфраструктура по доставке его конечным потребителям. В современных розничных ценах на моторное топливо значительную долю составляет налоговая нагрузка (в России порядка 50%), в некоторых странах ЕС она варьируется от 40-45% (Австрия, Португалия, Швеция) до 60% и выше (Нидерланды, Дания, Ирландия, Великобритания). Эксперты немецкого автомобильного союза (ADAC), одной из самых многочисленных и влиятельных автомобильных организаций Европы, составили рейтинг европейских стран по уровню цен на топливо. Согласно исследованию, цена на бензин марки «Супер» (в России АИ-95) по 12 рассмотренным странам варьируется от 1 до 1,5 евро, на дизельное топливо — от 0,9 до 1,3 евро за литр. Сейчас трудно предсказывать
сохранится ли в перспективе тенденция к столь значительной налоговой нагрузке в стоимости моторного топлива, однако, предполагая отсутствие изменений в налоговой политике, можно ожидать, что моторное топливо в автомобилях будущего не будет основано на бензине. Именно поэтому по всему миру ведутся поиски альтернативных видов топлива, которые смогут стать полноценной заменой органическим топливам, основанным на получении из природного сырья, и при этом, не обладают присущими им недостатками. К числу таких топлив относятся водород, этанол, биодизель, электроэнергия, сжатый природный газ.
Е85/этанол. В настоящее время этанол в обычных транспортных системах не применяется в чистом виде, а только как добавка к бензину (5% этанола, 15% бензина). Такая смесь проходит под коммерческим названием E85 [2]. Этанол может быть произведен из растительного сырья (сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, зерновые). General Motors и Ford уже предлагают коммерческие модели автомобилей на данном виде топлива. К преимуществам этанола относятся возобновляемость сырья и более низкие выбросы в атмосферу. Причем стоимость перехода на этанол относительно небольшая и практически не приводит к потере мощности двигателя. В случае утечки этанол быстро разлагается до воды, не причиняя особого вреда для окружающей среды, хотя может быть потенциально опасен для людей.
Биодизель. Это тоже моторное топливо растительного происхождения. Дизельные двигатели изначально создавались для работы на растительном масле. Биодизель в действительности не является растительным маслом, используемым для приготовлении пищи, а продуктом его переработки. Биодизель может использоваться напрямую в обычных дизельных двигателях в отличие от чистого растительного масла, использование которого в дизельных двигателях требует доработок последнего за счет установки системы предварительного нагрева и др. Биодизель является возобновляемым топливом и выбросы от автомобилей на нем меньше, чем от аналогичных на традиционных топливах [3]. Большим недостатком биодизеля является трудность его использования в холодный период в связи с выпадением в топливной системе парафинов, которые препятствуют нормальной подаче топлива в двигатель. Существуют большие опасения, что широкое применение биодизеля может привести к существенному удорожанию сельскохозяйственной продукции.
Электроэнергия. Известно, что первые автомобили в конце XIX в. работали на электроэнергии от аккумуляторов. Однако двигатель внутреннего сгорания очень быстро вытеснил электроэнергию
из автомобильного транспорта. В 90-х годов прошлого века интерес к электромобилям возродился вновь. Уже к середине 1990-х годов были продемонстрированы первые автомобили на электричестве. До сих пор основными недостатками таких автомобилей является ограничение по пробегу от одной зарядки аккумулятора (не более 150200 км при 650-950 км на жидком моторном топливе), длительность зарядки (от нескольких до 12 часов) и значительно более медленный набор мощности по сравнению с автомобилями на традиционных моторных топливах. Потенциальными недостатками электромобилей является также наличие значительных косвенных выбросов в окружающую среду при производстве электроэнергии на электростанциях, которые в большинстве своем используют органические топлива. Автомобили на солнечных батареях вряд ли будут являться хорошей альтернативой бензиновым двигателям из-за большой стоимости (от 500 тыс. долл.), низкой мощности (максимальная скорость с одним человеком на борту - 60-80 км/ч) и высокой зависимости от солнечной активности.
Сжатый природный газ. В среднесрочной перспективе газ в сжатом виде рассматривается как неплохая альтернатива бензину за счет снижения выбросов в окружающую среду и относительно недорогой стоимости дополнительного оборудования (1000-4000 долл. в зависимости от типа автомобиля). Однако в долгосрочной перспективе встают те же проблемы, что и для нефтетоплив (ограниченность запасов, увеличение стоимости добычи, увеличение стран-импортеров зависимости от поставок природного газа). По некоторым подсчетам, при современном тренде мирового энергопотребления запасов газа может хватить примерно на 200 лет, однако при массовом переводе автомобилей на газ этот срок может существенно сократиться (например, по пессимистической оценке последнего Мирового нефтяного конгресса, человечество обеспечено доказанными запасами нефти приблизительно на 40 лет, природного газа - на 67 лет [4]).
Помимо поиска новых, возобновляемых и экологически чистых топлив производители автомобилей предлагают значительные усовершенствования в современных двигателях внутреннего сгорания с целью повышения их экологичности и эффективности. К таким улучшениям относятся: переменный рабочий объем, позволяющий закрывать некоторые из цилиндров в то время, когда в них нет необходимости (технология уменьшает потребление топлива на 10% и значительно снижает выбросы компонентов, формирующих смог и парниковые газы); газораспределение двигателя в зависимости от интенсивности использования; применение катализаторов, преобра-
зующих опасные для здоровья компоненты выхлопных газов в безвредные, такие как водяной пар.
Все перечисленные выше альтернативные моторные топлива имеют неоспоримое экологическое преимущество перед бензином, однако наибольший интерес для автомобильного транспорта, как с экологической точки зрения, так и с точки зрения экономической эффективности представляет водород, на базе которого в электрохимических генераторах (топливных элементах - ТЭ) получается электроэнергия, приводящая в действие электромотор, служащий движителем в автомобиле. Продуктом использования водорода непосредственно в ТЭ являются только водяной пар;.
Развитие водородной экономики. Сегодняшнюю ситуацию в мировой энергетике можно характеризовать как зарождение водородной энергетики (экономики):
• правительства ведущих экономически развитых и развивающихся стран (США, ЕС, Япония, Китай, Россия («Программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам») и др.) имеют долгосрочные программы развития водородной энергетики (см., например, [5-7]),
• ведущие автомобильные концерны активно разрабатывают и усовершенствуют модели автомобилей на водородном топливе,
• по всему миру (особенно в Европе и США) строятся водородные заправочные станции [8],
• значительная доля проектов научно-исследовательских институтов и технико-конструкторских бюро посвящена изучению и разработке технологий производства, хранения, доставки, заправки и конечного использования водорода,
• в опытно-промышленной эксплуатации находятся десятки транспортных средств (легковые автомобили, автобусы, легкие грузовики) [9], а также объекты специального и военного назначения (подводная лодка в Германии, вездеходы в армии США и др.).
Интерес к водородной экономике объясняется рядом преимуществ водорода перед другими топливами. К его плюсам относятся:
• широкая распространенность водорода во вселенной (по оценкам астрофизиков, вселенная на 75% по массе и на 90% по количеству атомов состоит из водорода);
1 Выбросами от автомобиля на топливном элементе являются твердые частицы различных размеров при изнашивании шин и тормозных колодок.
• преобразование водорода в электроэнергию осуществляется быстро и эффективно (КПД топливных элементов достигает 60-70% и более [10]);
• продукты использования водорода и сам водород при утечке не наносят вреда окружающей среде;
• высокая легкость и способность к диффузии приводит к относительно низкой взрывоопасности (возгорание водорода происходит при концентрациях гораздо более низких, чем при его взрыве) [11]. При этом сила взрыва водорода в 22 раза меньше, чем бензиновых паров, а жаропроизводительность водородного пламени на 7% меньше бензинового [12]);
• уже в настоящее время существуют трубопроводы для транспорта водорода на большие расстояния. Причем теоретические потери энергии при транспортировке водорода оцениваются вдвое меньшими, чем при передаче электроэнергии по линиям электропередачи [12].
Безусловно, переход на новый энергоноситель сопряжен с различными сложностями и рисками, наличие которых требует серьезных дополнительных исследований. Основные недостатки водорода как моторного топлива состоят в следующем:
• в природе водород находится в связанном состоянии и является не энергоресурсом (как нефть, уголь, газ и др.), а энергоносителем, т.е. для его получения необходимо использовать другие ресурсы и энергию;
• утечки водорода в закрытых или плохо вентилируемых помещениях могут быть опасны, т. к. увеличивается вероятность взрыва, сила которого значительно возрастает, если газ находится при высоком давлении. Кстати, это также справедливо и для углеводородных топлив;
• при дневном свете тушение водородного пламени осложняется тем, что оно не может быть замечено человеческим глазом;
• для обеспечения парка автомобилей достаточным количеством водорода и создания соответствующей инфраструктуры необходимы крупные инвестиции;
• существует опасение, что массовое использование водорода при несоблюдении правил безопасности может привести и к негативным экологическим последствиям, т. к. водяной пар от работы ТЭ усиливает эффект влияния С02 на глобальное потепление [13], а значительная утечка водорода может повлечь за собой уменьшение озонового слоя в стратосфере и нарушение процессов фотохимии.
Полноценное развитие водородной экономики помимо преодоления описанных выше проблем и минимизации рисков требует развития технологий производства, хранения, транспорта и использования водорода.
В основу исследования экономической эффективности и конкурентоспособности водорода положены модели технологий производства, транспорта и использования водорода как моторного топлива. Изменение ключевых параметров водородных технологий позволяет оценивать их относительную привлекательность. В работе в качестве критерия сравнительной оценки водородных технологий приняты стоимость пробега 100 км на автомобилях различного типа и ожидаемые выбросы в атмосферу. В стоимостную оценку технологии включены затраты на получение водорода, его доставку до АЗС в случае централизованного производства водорода; стоимость АЗС, включая хранение; и потребление водорода в автомобиле. Экологическая оценка учитывает выбросы в топливном цикле производства водорода (т.е. от добычи исходного сырья-топлива до установки по получению водорода), при транспорте водорода до потребителя и самим автомобилем, т. е. рассмотрение выбросов ведется последовательно по всем стадиям производства и использования водорода - «от скважины до колеса автомобиля». При этом по автомобилю учитываются, как выбросы при его эксплуатации, так и при его производстве. Ниже представлено краткое описание применяемых моделей.
Модель оценки экономической привлекательности водородного топлива. Модель состоит из шести самостоятельных блоков: производство, хранение, доставка, автозаправочная станция и конечное использование водорода, а также выбросы в окружающую среду.
Блок производство позволяет рассчитать стоимость получения 1 кг водорода при централизованном и децентрализованном производстве. В модели рассматриваются 2 состояния водорода: в сжиженном виде (при -253оС) и в газообразном виде под давлением (до 800 атм.). В блоке рассмотрена структура и экономические показатели четырех основных технологий производства водорода централизованным способом: паровая конверсия метана (ПКМ), газификация угля, электролиз воды (при работе на электроэнергии от ветряной электростанции (ВЭС), электростанции на солнечных батареях (СЭС) или от энергосистемы) и термохимическое разложение воды с использованием тепловой энергии высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора (ВТГР). В процессе построения блока модели использовались данные о структуре
2 Модель разработана автором статьи в ИНП РАН под руководством и при участии д. э. н. Синяка Ю. В.
технологических процессов централизованного производства водорода [14]. Описание данного блока модели приведено в [15].
В модель заложены следующие экономические параметры по отдельным элементам технологий производства водорода (централизованное производство при больших производительностях - около 100 т Н2 в сут. и децентрализованное - в объеме 500 кг Н2 в сут.):
• электролизер - 740 долл./кВт (при децентрализованном производстве 2000 долл./кВт),
• установка для реформинга метана - 25 долл./кг Н2 (при децентрализованном производстве 125 долл./кг Н2),
• водородный компрессор - 1000 долл./кВт,
• установка по сжижению Н2 - 1100 долл./кг Н2 /сут.,
• хранение Н2 в сжатом виде - 85 долл./кг Н2 (при децентрализованном производстве 850 долл./кг Н2),
• хранение жидкого водорода - 20 долл./кг Н2,
• устройство для разлива жидкого водорода - 100 тыс. долл.
Экономические параметры, использованные для расчета полных
инвестиций (в % от стоимости оборудования):
• обеспечение энергией, водой и т. п. - 20%;
• проектирование, наладка и т. п.
• 15% (при децентрализованном производстве 10%);
• непредвиденные расходы - 10%;
• оборотные средства, стоимость земли и др. - 7% (при децентрализованном производстве 9%).
Срок службы объектов принят 20 лет. Прочие переменные затраты, кроме топлива и энергии, составляют 1% в год от полных капиталовложений; постоянные эксплуатационные издержки - 5% в год от полных капиталовложений. Рентабельность инвестиций равна 12% в год.
Блок хранение дает возможность оценки стоимости хранения 1 кг Н2 в жидком или сжатом состоянии. В качестве технологий хранения рассмотрены емкости под давлением (800 атм) для газообразного водорода и криогенные танки для сжиженного хранения Н2 (минус 253оС). При построении схем технологических процессов и в расчетах основных экономических показателей хранения водорода были использованы данные [16, 17]. В расчетах приняты следующие удельные капиталовложения в элементы технологий хранения водорода:
• стоимость компрессора - 1000 долл./кВт;
• стоимость установки сжижения - 44,1 тыс. долл./(кг Н2/ч);
• стоимость резервуара для сжатого Н2 - 20 тыс. долл./куб. м Н2 (для сжиженного водорода - 31,2 тыс. долл./куб. м Н2).
Срок службы оборудования: компрессоры - 6 лет, резервуары -22 года.
Блок доставка. Моделирование в данном блоке позволяет получить стоимость доставки 1 кг Н2 до потребителя в случае централизованного производства водорода. Для транспорта сжатого водорода используются грузовые автомобили с емкостями высокого давления или трубопровод, для сжиженного водорода - грузовой автомобиль с криогенным танком. При моделировании технологических процессов на стадии транспорта водорода использованы данные [16, 17]. Средний объем перевозки водорода одним грузовым автомобилем составляет около 1400 кг для газа под давлением и примерно 1600 кг для жидкого водорода.
Удельные капиталовложения в элементы технологий транспорта водорода:
• стоимость грузовика - 90 тыс. долл;
• стоимость прицепа - 60 тыс. долл;
• стоимость емкости для перевозки сжатого водорода - 100 тыс. долл. (для сжиженного водорода - 350 тыс. долл.);
• стоимость компрессора - 1000 долл./кВт;
• удельная стоимость трубопровода - 2 млн. долл./км.
Срок службы технологий транспорта водорода: грузовики - 6 лет, цистерны - 4 года, компрессоры - 6 лет, трубопроводы - 22 года.
Блок автозаправочная станция. В данном блоке рассмотрены технико-экономические параметры АЗС для заправки автомобилей на жидком и на газообразном водороде под давлением. Результатом моделирования является оценка той части стоимости водорода, которая приходится на заправочную станцию.
Удельные капиталовложения в элементы технологий заправки водородом:
• капитальные затраты на 1 раздаточную колонку с одним краном для сжатого Н2 - 70 тыс. долл. (для сжиженного Н2 - 130 тыс. долл.).
Срок службы оборудования: колонка розлива сжатого Н2 - 10 лет (для сжиженного 8 лет).
Блок конечное использование. Моделируемый показатель данного блока - стоимость 100 км пробега. В блоке рассматриваются четыре типа легковых транспортных средств: два класса водородных автомобилей на ТЭ (на сжиженном водороде и на сжатом), автомобиль с двигателем внутреннего сгорания на бензиновом топливе и автомобиль на дизельном топливе. Итоговая стоимость 100 км пробега оценивается в разрезе топливного цикла и капитальных затрат на автомобиль.
В затратах учтены также дополнительные издержки (в % от стоимости автомобиля):
• страховая премия - 10%;
• эксплуатационные издержки - 2,5% (дизельный), 1,5% (остальные автомобили);
• непредвиденные расходы (ремонты, шиномонтаж и пр.) - 5,0%;
• срок службы автомобиля - 10 лет.
Блок выбросы. Результатом моделирования является оценка годового количества выбросов, которая производится на основе модели GREET 2.7, разработанной Argonne National Laboratory при поддержке департамента энергетики США (U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE)) [18]. Модель позволяет рассчитывать выбросы на 1 км пробега водородного, бензинового, газового и дизельного автомобилей. По этой модели, рассчитываются также выбросы за полный топливный цикл автомобиля и производство самого автомобиля (добыча и производство материалов, изготовление деталей, сборка).
На основе разработанных моделей рассчитаны показатели стоимости 100 км пробега для трех различных сценариев исходных показателей5.
Сценарная оценка конкурентоспособности водорода на легковом автотранспорте. Сценарии по стоимости энергоресурсов и капиталовложений в элементы применяемых технологий, использованные при моделировании, представлены в табл. 1.
Во всех сценариях предполагается рациональное размещение солнечных и ветряных электростанций (учитывая климатические особенности России, среднегодовое использование установленной мощности ВЭС и СЭС принято не более 30% календарного времени). В качестве основных условий эксплуатации автотранспорта были приняты:
• годовой пробег - 20 тыс. км.;
• доля пробега, приходящаяся на городской цикл - 65%;
• расход топлива автомобиля: на водороде - 1 кг H2/100 км [19], бензиновый - 8 л/100 км, дизельный - 5 л/100 км, газовый -10 л/100 км.
3 Поскольку ряд основных показателей, от которых зависит эффективность технологии, являются в значительной степени неопределенными, то на основе анализа публикаций в зарубежных и отечественных изданиях были сформированы возможные значения этих показателей с условным их отнесением к трем группам с различной степенью достоверности по мнению автора. Эти группы ниже названы «оптимистические оценки», «умеренные» и «пессимистические». Такой подход позволяет достаточно надежно оценить условия, при которых новые технологии становятся конкурентоспособными по сравнению с традиционными технологиями.
Варианты оценок исходных параметров по сценариям
Сценарий
Энергоресурсы I Оптимистиче- ский II Умеренный III Пессимисти- ческий
Цены энергоносителей:
природный газ, долл./тыс. куб. м 150 300 450
уголь, долл./т н.э. 50 75 100
электроэнергия от энергосисте- 0,05 0,1 0,15
мы, долл./кВт-ч
нефть, долл./барр. 80 100 130
бензин, долл./л 1 2 3
дизельное топливо, долл./л 0,85 1,70 2,55
газовое топливо, долл./л 0,40 0,80 2,20
Удельные капиталовложения в новые технологии:
ВТГР, долл./ кВт 350 450 550
(по тепловой мощности)
ВЭС, долл./кВт 500 1000 1500
СЭС, долл./кВт 1000 2000 3000
Предполагается удорожание водородного автомобиля на 25%4 относительно бензинового при стоимости последнего около 17 тыс. долларов. На основе «оптимистических», «умеренных» и «пессимистических» оценок исходных данных по модели рассчитаны показатели стоимости 100 км пробега для различных типов легковых автомобилей. Устойчивость выводов проанализирована на умеренном сценарии оценок и проиллюстрирована в виде графиков зависимости моделируемого показателя от удорожания водородного автомобиля по сравнению с бензиновым, от годового пробега и от стоимости традиционных топлив.
При оптимистическом сценарии (значения показателя стоимости 100 км пробега при таких оценках представлены в табл. 2) наименьшую стоимость 100 км пробега показывает автомобиль на газовом топливе 28,1 долл.
Переход на природный газ может значительно снизить потребление нефти на транспорте, однако эта опция может быть только краткосрочной, т.к. запасы газа тоже ограничены и в таком сценарии начнут истощаться значительно быстрее. Из водородных технологий наиболее эффективными оказываются паровая конверсия метана и газификация угля.
4 Современная стоимость водородных автомобилей в условиях штучного производства составляет от 700 тыс. долл. до 1 млн. долл., однако прогнозы позволяют утверждать, что удорожание может составить не более 25% при коммерческом производстве водородных автомобилей.
Оценки стоимости 100 км пробега для водородного и традиционных автомобилей при оптимистических оценках исходных данных, долл.
Доставка Н2 грузовым авто Доставка Н2 трубопроводом
Сжатый Н2 Сжиженный Н2 Сжатый Н2
Технология доставки топливо* **ОХЯБ Всего топливо* авто** Всего топливо* **ОХЯБ Всего
Автомобили с ТЭ Централизованное производство Н2
ПКМ (природный газ) 2,5 28,2 30,6 5,6 32,4 38,0 3,1 28,2 31,2
Газификация угля Термохимическое 2,7 28,2 30,8 6,0 32,4 38,3 3,3 28,2 31,4
разложение с ВТГР 4,1 28,2 32,3 7,5 32,4 39,9 4,7 28,2 32,9
Электролиз сеть 5,5 28,2 33,6 8,5 32,4 40,9 6,0 28,2 34,2
Электролиз ВЭС 7,3 28,2 35,5 10,6 32,4 43,0 7,9 28,2 36,1
Электролиз СЭС Децентрализованное производство Н2 ПКМ (природный газ) Электролиз сеть Традиционные автомобили Бензиновый Дизельный Газовый 12,0 5.7 12,2 9,3 4,9 4.7 28,2 28,2 28,2 22,5 25.4 23.4 40.1 33.8 40.4 31.8 30.4 28.1 16,1 32,4 48,5 12,6 28,2 40,7
*В стоимость водородного топлива включается стоимость производства, доставки,
хранения, затрат на АЗС с учетом капиталовложений в элементы технологий.
**Под стоимостью подразумеваются суммарные затраты страховку, эксплуатационные издержки и непредвиденные расходы. на амортизацию,
При использовании автомобилем с ТЭ на водороде, произведенном по этим технологиям, моделируемый показатель не превышает 30,8 долл. Тем не менее, несмотря на ощутимый экологический эффект по сравнению с использованием газа напрямую в двигателях, данные технологии в конечном счете столкнутся с ограниченностью первичных энергоресурсов. Наибольшая стоимость 100 км пробега наблюдается в случае использования сжиженного водорода от СЭС -48,5 долл., что в 1,5 раза превышает показатель для двигателя внутреннего сгорания на бензине равный 31,8 долл. Стоимость топливного цикла автомобилей на сжиженном водороде на 3-4 долл. больше, чем аналогичный показатель для 100 км пробега водородного автомобиля на сжатом газе, что делает их неконкурентоспособными.
В оптимистическом сценарии почти все водородные технологии уступают автомобилям на газе и дизельным транспортным средствам. Централизованные технологии от ПКМ до электролиза с использованием энергии ветра включительно показывают приемлемую стоимость, превышая показатель бензинового двигателя максимум на 12% (электролиз ВЭС).
Умеренный сценарий (табл. 3), в отличие от оптимистического, выводит на первое место водородный автомобиль при технологии производства топлива паровой конверсией метана (31,4 долл. на 100 км пробега) и газификацией угля (31,3 долл. на 100 км пробега).
Таблица 3
Оценки стоимости 100 км пробега для водородного и традиционных автомобилей при умеренных оценках исходных данных, долл..
Технология доставки Доставка Н2 грузовым авто Доставка Н2 трубопроводом
Сжатый Н2 Сжиженный Н2 Сжатый Н2
топливо* авто** Всего топливо* * * О Н в а Всего топливо* * * о н в а Всего
Автомобили на ТЭ
Автомобили с ТЭ
Централизованное
производство Н2
ПКМ (природный газ) 3,2 28,2 31,4 7,4 32,4 39,8 3,8 28,2 32,0
Газификация угля 3,2 28,2 31,3 7,6 32,4 39,9 3,8 28,2 31,9
Термохимическое
разложение с ВТГР 4,8 28,2 33,0 9,3 32,4 41,7 5,4 28,2 33,6
Электролиз сеть 8,5 28,2 36,6 12,5 32,4 44,9 9,0 28,2 37,2
Электролиз ВЭС 12,1 28,2 40,3 16,8 32,4 49,1 12,7 28,2 40,9
Электролиз СЭС 21,4 28,2 49,6 27,8 32,4 60,2 22,0 28,2 50,2
Децентрализованное
производство Н2
ПКМ (природный газ) 28,2 34,7
Электролиз сеть 15,6 28,2 43,7
Традиционные автомо-
били
Бензиновый 18,6 22,5 41,1
Дизельный 9,9 25,4 35,3
Газовый 9,3 23,4 32,7
*В стоимость водородного топлива включается стоимость производства, доставки,
хранения, затрат на АЗС с учетом капиталовложений в элементы технологий.
**Под стоимостью подразумеваются суммарные затраты на амортизацию,
страховку, эксплуатационные издержки и непредвиденные расходы.
На третьем месте автомобиль на газовом топливе с показателем 32,7 долл. на 100 км пробега. По эффективности сразу за газовым авто-
мобилем снова идет водородный при термохимическом разложении воды с использованием ВТГР (33 долл. на 100 км пробега). По сравнению с органическими топливами использование ядерной энергии обладает практически неисчерпаемым запасом первичных ресурсов урана, однако на пути внедрения этой технологии встает негативное отношение населения к ее использованию, которое, тем не менее, согласно проводимым опросам значительно улучшается в последние годы.
Из представленных технологий максимум стоимости 100 км пробега приходится на сжиженный водород от СЭС аналогично предыдущему сценарию 60,2 долл., это в 1,5 раза превышает показатель для двигателя внутреннего сгорания на бензине, в 1,7 раз больше дизельного и 1,8 газового, что отбрасывает технологию далеко за рамки допустимых значений. Однако при производстве сжиженного водорода по ПКМ, газификации угля и термохимическим разложением воды он оказывается вполне конкурирующим с бензином.
В данном сценарии не все водородные технологии уступают автомобилям на газе и дизельным транспортным средствам, а именно паровая конверсия метана, газификация угля и термохимическое разложение воды с использованием ВТГР оказываются экономически более эффективными, чем бензиновые автомобили.
Допустимыми и конкурентоспособными с бензиновым двигателем оказываются сетевой электролиз (36,6 долл. на 100 км пробега), электролиз ВЭС (40,3 долл. на 100 км пробега) и децентрализованное производство из природного газа (34,7 долл. на 100 км пробега).
При высокой цене энергоресурсов в третьем сценарии (табл. 4) оценки стоимостей 100 км пробега для водородных автомобилей при производстве газообразного Н2 по ПКМ (32,1 долл.) и газификацией угля (31,9 долл.) практически не отличаются и являются наименьшими из рассматриваемых в сценарии.
Абсолютный максимум показателя среди технологий и сценариев для сжиженного водорода от СЭС - 71,8 долл.
Пессимистический сценарий делает конкурентоспособными централизованные технологии для газообразного водорода вплоть до электролиза ВЭС и децентрализованные производство - вплоть до сетевого электролиза. Для жидкого водорода при сравнении с бензиновым автомобилем (50,4 долл./100 км пробега) конкурентными будут технологии вплоть до сетевого электролиза. Централизованные технологии производства газообразного водорода по сравнению с дизельным (40,3 долл./100 км пробега) сохраняют конкурентоспособность вплоть до сетевого электролиза.
Оценки стоимости 100 км пробега для водородного и традиционных автомобилей при пессимистических оценках исходных данных , долл.
Доставка Н2 грузовым авто Доставка Н2 трубопроводом
Сжатый Н2 Сжиженный Н2 Сжатый Н2
Технология доставки * о и к о н * * 8 в а о и о и * о в я о т * * 8 в а о и о и * о в я оп т * * 8 в а о и о и
Автомобили с ТЭ Централизованное производство Н2
ПКМ (природный газ) 3,9 28,2 32,1 9,2 32,4 41,6 4,5 28,2 32,7
Газификация угля Термохимическое 3,7 28,2 31,9 9,2 32,4 41,5 4,3 28,2 32,5
разложение с ВТГР 5,6 28,2 33,7 11,1 32,4 43,5 6,1 28,2 34,3
Электролиз сеть 11,4 28,2 39,6 16,5 32,4 48,9 12,0 28,2 40,2
Электролиз ВЭС 16,9 28,2 45,1 22,9 32,4 55,3 17,5 28,2 45,7
Электролиз СЭС Децентрализованное производство Н2 ПКМ (природный газ) Электролиз сеть Традиционные автомобили Бензиновый Дизельный Газовый 30.9 7,5 18.9 27.9 14,8 14,0 28,2 28,2 28,2 22,5 25.4 23.4 59.0 35,6 47.0 50,4 40.3 37.4 39,4 32,4 71,8 31,5 28,2 59,6
*В стоимость водородн ого топлива включается стоимость производства, доставки,
хранения, затрат на АЗС с учетом капиталовложений в элементы технологий.
**Под стоимостью подразумеваются суммарные затраты ку, эксплуатационные издержки и непредвиденные расходы. на амортизацию, страхов-
Высокая цена традиционных технологий на данном этапе может привести к смещению инвестиций в сторону возобновляемых источников энергии, делая конкурентоспособным использование ВЭС (стоимость 100 км пробега - 45,1 долл.) и даже СЭС (при стоимости СЭС, принятой в первом сценарии - 1000 долл./кВт, 100 км пробега будут стоить - 40,1 долл.), но выводы, касающиеся использования солнечной энергии будут справедливы в более отдаленной перспективе.
Анализ устойчивости выводов сценария 2 (умеренный). В рамках базового (второго) сценария рассмотрено влияние удорожания водородного автомобиля по сравнению с бензиновым на 25, 50 и 100%. Удорожание на 25% соответствует массовому производству
автомобилей на ТЭ; на 50% - возможно при переходном варианте, когда постепенное увеличение эффективности водородных автомобилей и поддержка перехода населения на них государством (например, в виде покупки у населения «экологически вредных» автомобилей по рыночной цене) постепенно вытесняет органические топлива; при отсутствии достаточных экономических стимулов удорожание может быть на уровне 100% и более. На рис. 1 Приложения представлен эффект влияния данного показателя.
Технологии, относящиеся к жидкому водородному топливу, не рассматриваются ввиду их неконкурентоспособности при всех значениях удорожания автомобиля на топливном элементе (кроме случая удорожания на 25%, при котором конкурентоспособность хоть и возможна, но очень низка).
Как видно из графика, при 100% удорожании ни одна водородная технология не конкурирует даже с бензиновым двигателем. При 50% удорожании аналогичная ситуация для газового и дизельного автомобилей, тем не менее бензиновые транспортные средства начинают уступать водородным при его производстве из природного газа, угля и термохимическим разложением воды. Конкурентным оказывается и сетевой электролиз. Тенденция к безоговорочному лидерству традиционных технологий меняется при удорожании до 25%, соответствующем массовому производству водородных автомобилей, подкрепленных инфраструктурой заправочных станций. Здесь даже газовый автомобиль уступает ПКМ, газификации угля и применению ВТГР, дизельный идет вровень с сетевым электролизом.
По экономической эффективности с бензиновым двигателем сравнивается технология децентрализованного производства водорода на основе конверсии природного газа и централизованный электролиз ВЭС.
Фиксируя показатели базового сценария и ориентируясь на наиболее ожидаемое 25% значение удорожания автомобиля на ТЭ, проанализировано влияние годового пробега автомобиля на моделируемый показатель (рис. 2 Приложения). В качестве сценарной базы выбраны: редкое использование автомобиля (пробег 10000 км в год); средний годовой пробег 20 тыс. км, заложенный в параметры технического обслуживания большинства автомобилей; более частое использование автомобиля для поездок, выливающееся в пробег 30 тыс. км в год. Аналогично предыдущему исследованию из рассмотрения исключен жидкий водород.
Автомобилистам, проезжающим в год порядка 10 тыс. км, экономически нецелесообразно пересаживаться на водородный автомобиль с
дизельных и газовых транспортных средств, так как в этом случае минимальное увеличение стоимости 100 км пробега составит 11%.
Однако при условии производства водорода по ПКМ или газификацией угля, переход с бензина на водород экономически оправдан. На рис. 2 Приложения наглядно видна тенденция к снижению зазора в стоимости 100 км пробега между водородными и традиционными технологиями по мере увеличения годового пробега. Так, при 20000 км пробега за год в качестве альтернативы бензиновому двигателю можно рассматривать топливный элемент, при условии, что топливо для него будет произведено по одной из следующих технологий: ПКМ, газификация угля, ВТГР, сетевой электролиз и электролиз ВЭС.
Газовый автомобиль, ПКМ и газификация угля будут обладать достаточно близкими наилучшими показателями стоимости, и при выборе можно будет руководствоваться экологическими соображениями. Пробег 30 тыс. км позволит большинству сделать выбор в пользу ТЭ, т.к. из рассмотренных, только централизованная технология СЭС и децентрализованный сетевой электролиз, не будут конкурентоспособными с традиционными автомобилями на органических топливах.
Сила влияния доли городского цикла в суммарном пробеге автомобиля оказывается минимальной с точки зрения стоимости 100 км пробега. Этот факт исследован для наиболее популярного 20 тыс. киллометрового годового пробега. Изучены 3 группы автомобилистов: использующие авомобиль для передвижения в городе с редкими выездами за город (доля городского цикла 65%); посвящающие загородным поездкам 50% времени; и, наконец, использующие в городе по преимуществу общественный транспорт с частыми поездками за город, что выливается в 35% городского цикла. Производство и использование жидкого водорода не рассматривается ввиду высокой стоимости 100 км пробега. При увеличении доли городского цикла наблюдается незначительный рост стоимости 100 км пробега по всем автомобилям и технологиям производства водорода, что не приводит к смещениям в конкурентоспособности водородных технологий, оставляя в силе базовые выводы по сценарию 2.
Устойчивость выводов умененного сценария проверена и при изменении стоимости моторных топлив (стоимости топлив соответствуют рассмотренным в сценариях 1, 2 и 3 соответственно) при неизменных ценах на энергоресурсы сценария 2 (рис. 3 Приложения). Для наглядности по горизонтальной оси отложена стоимость бензина. Как видно на графике, низкая стоимость моторных топлив делает конкурентоспособными технологии ПКМ и
газификации угля, причем только в сравнении с бензиновым двигателем. Наилучшими показателями стоимости 100 км пробега в данном случае обладают газовый и дизельный автомобили.
Увеличение стоимости моторных топлив в 2 раза (подобная цена имеет место уже в настоящее время в ряде западноевропейских стран, например, Нидерландах и Дании она составляет 2,2 долл./л бензина), позволяет централизованным водородным технологиям вплоть до использования ВТГР быть экономически более привлекательными, чем все традиционные автомобили. В случае бензинового автомобиля не конкурентными оказываются только использование солнечной энергии и децентрализованный сетевой электролиз.
При троекратном изменении цены на топлива по отношению к стоимостям оптимистического сценария, газовым автомобилям по экономической эффективности уступают только децентрализованные технологии и использование возобновляемых источников энергии. С бензином из рассмотренных водородных технологий не конкурирует только децентрализованный электролиз.
Оценка выбросов. В табл. 5 даны оценки выбросов для водородного автомобиля при различных технологиях производства водорода и для традиционных автомобилей5.
В модели рассматривается следующий состав парникового газа: углекислый газ (С02), метан (СН4) и закись азота (ЪТ20). К остальным выбросам отнесены: оксид углерода (СО), оксиды азота (Ы0Х), летучие органические соединения (УОС), оксиды серы (80Х), выбросы твердых частиц с диаметрами до 10 мкм (РМ10) и до 2,5 мкм (РМ25).
Выбросы разбиты на 2 большие группы по виду наносимых ущербов: «парниковые» газы оказывают минимальное влияние на здоровье человека, однако могут сказаться на изменении климата Земли в будущем; остальные же выбросы оказывают крайне негативный эффект на здоровье (например, выбросы твердых частиц с диаметрами до 2,5 мкм очень хорошо всасываются организмом напрямую в кровь и являются при этом сильнейшими канцерогенами).
Наибольшие выбросы парниковых газов соответствуют технологии сетевого электролиза при производстве сжиженного водорода (при пробеге 30 тыс. км величина составляет порядка 25 т). Это связано со значительным потреблением электроэнергии, обеспечиваемой преимущественно тепловыми электростанциями. Для этой же технологии характерны максимальные выбросы остальных веществ (при пробеге
5 При этом для традиционных автомобилей приняты выбросы по ЕВРО-5, стандарт по которому будет применяться в Западной Европе после 2010-2014 гг.
30 тыс. км в год выбросы составляют 148 кг). Наименьшими выбросами обладают технологии термохимического разложения воды и электролиз при использовании возобновляемых источников энергии. В данных технологиях выбросы обусловлены только производством автомобиля и обеспечением производства водорода.
Таблица 5
Годовые объемы выбросов для водородного и традиционных автомобилей, кг
Показатель 10000 км в год 20000 км в год 30000 км в год
Парниковые газы Остальные вещ-ва ы з а е ы и о к и н р а Па Остальные вещ-ва Парниковые газы Остальные вещ-ва
1. Водородный
Централизованное пр -во
Сжатый
ПКМ (природный газ) 1106 8,2 2212 16,5 3318 24,7
Газификация угля 2374 11,8 4747 23,7 7121 35,5
Электролиз сеть 3784 24,8 7569 49,6 11353 74,4
Термохимическое разложение
с ВТГР 671 8,3 1342 16,7 2013 25,0
Электролиз ВЭС, СЭС 628 8,1 1255 16,1 1883 24,2
Сжиженный
ПКМ (природный газ) 3219 16,5 6438 33,0 9656 49,4
Газификация угля 2419 13,8 4838 27,7 7256 41,5
Электролиз сеть 8369 49,1 16738 98,1 25106 147,2
Термохимическое разложение
с ВТГР 1939 15,0 3878 30,0 5816 44,9
Электролиз ВЭС, СЭС 1869 14,6 3738 29,1 5606 43,7
Децентрализованное пр-во
ПКМ (природный газ) 3559 17,8 7118 35,6 10676 53,4
Электролиз сеть 3585 23,6 7171 47,2 10756 70,8
Электролиз СЭС 429 6,9 858 13,8 1286 20,6
2. Бензиновый 2293 20,8 4586 41,6 6879 62,4
3. Дизельный 2057 14,4 4114 28,9 6170 43,3
4. Газовый 2032 19,8 4063 39,5 6095 59,3
С применением ВЭС и СЭС даже в случае 30 тыс. километрового пробега выбросы парниковых газов не превышают 2 т, а других веществ - 24 кг, что примерно в 3 раза лучше показателей традиционных автомобилей.
Выводы. Смещение приоритета развития мирового автомобильного транспорта в сторону использования водородного топлива в топливных элементах двигателя не является беспочвенным. Результаты моделирования, представленные в статье, подтверждают конкурентоспособность водорода по сравнению с органическими топливами при достаточно обширной вариации экономических условий уже в обозримой перспективе. Случаи большей экономической целесообразности сохранения автомобилей на органических топливах (в основном газовых, реже дизельных) могут иметь смысл только в краткосрочной перспективе, т.к. переход на природный газ может значительно снизить потребление нефти на транспорте, но запасы газа тоже ограничены и в таком сценарии начнут истощаться значительно быстрее.
Даже в оптимистичном по ценам на энергоресурсы сценарии многие водородные технологии оказываются эффективными: паровая конверсия метана, газификация угля и сетевой электролиз. Тем не менее, несмотря на ощутимый экологический эффект по сравнению с использованием газа напрямую в двигателях, данные технологии в конечном счете столкнутся с ограниченностью первичных энергоресурсов. К сожалению, выходу на рынок возобновляемых источников энергии (ВЭС и в особенности СЭС) будет препятствовать их стоимость.
При умеренных оценках исходных показателей технология термохимического разложения воды с использованием ВТГР становится вполне конкурентоспособной со всеми рассмотренными автомобилями на традиционных топливах. По сравнению с органическими топливами использование ядерной энергии обладает практически неисчерпаемым запасом первичных ресурсов урана (при переходе к реакторам на быстрых нейтронах), однако на пути внедрения этой технологии встает негативное отношение населения к ее использованию, которое, тем не менее, согласно проводимым опросам значительно улучшается в последние годы.
Как показали расчеты, предложенная модель позволяет делать устойчивые выводы по конкурентоспособности водорода, что проверено для умеренного сценария на основе изменений удорожания водородного автомобиля по отношению к бензиновому, при варьировании характеристик пробега, а также при изменении стоимости моторных топлив.
Оценка выбросов позволяет сделать вывод о наибольшей перспективности термохимического разложения воды с использованием ВТГР, т.к. помимо низких выбросов использование данной техноло-
гии экономически оправдано для большинства сценариев. Целесообразно в дальнейшем включать оценки ущербов от выбросов загрязняющих веществ в расчет стоимости пробега автомобиля. Это позволит усилить позицию водородного топлива в автотранспорте.
Таким образом, основываясь на оценке стоимости 100 километров пробега автомобиля, водородный автомобиль вполне может конкурировать с традиционными при многих технологиях производства водорода.
Литература и информационные источники
1. J.D. Power and Associates Reports: Annual Growth of Diesel Light-Vehicle Demand in Eastern Europe, Asia and North America Set to Surpass That of Western Europe, January 2008, http://www.jdpower.co.jp/press/pdf2008/2008GlobalDieselForecast_E.pdf.
2. http://www. e85fuel. com.
3. http://www. biodiesel.org.
4. Выступление председателя правления ОАО “Газпром ” А.Б. Миллера на XXII мировом газовом конгрессе, http://www.gazprom.ru/articles/articlel3299.shtml
5. National Vision of America's Transition to a Hydrogen Economy — to 2030 and Beyond, February
2002, US DOE
6. European Hydrogen & Fuel Cell. Technology platform. Implementation Plan. — Status 2006, Implementation Panel, March 2007
7. Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project, www.jhfc.jp/data/pamphlet/pdf/pamphlet.pdf.
8. Worldwide Hydrogen Fueling Stations (Updated January 2008) http://www.fuelcells.org/info/charts/h2fuelingstations.pdf.
9. “В Германии открыта вторая водородная АЗС”, www.autonews.ru, 23.03.2006
10. Tawfik H. Hydrogen Economy & (PEM) Fuel Cells, Institute for Manufacturing Research, September
2003, http://www.ieee.li/pdf/viewgraphs_fuel_cell.pdf
11. R. Faafi. “Cryoplane: Flugzeuge mit Wasserstoffantrieb, ” Airbus Deutschland GmbH, Hamburg, 6 Dec. 2001, www.hawhamburg.de/pers/Scholz/dglr/hh/text_2001_12_06_Crvoplane.pdf
12. Lovins A. Twenty Hydrogen Myths, Rocky Mountain Institute, 20 June 2003, http://www.rmi.org/images/other/Energy/E03-05_20HydrogenMyths.pdf
13. IM. Held & B.J. Soden. “Water Vapor Feedback and Global Warming, ” Ann. Rev. En. Envt. 25:441—475 (2000).
14. Simbeck D., Chang E. Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways. Scoping Analysis, SFA Pacific, Inc. Mountain View, California, January 22, 2002 — July 22, 2002, http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/32525.pdf
15. Синяк Ю. В., Петров В. Ю. Прогнозные оценки стоимости водорода в условиях его централизованного производства //Проблемы прогнозирования, № 3, 2008.
16. Amos W. Costs of Storing and Transporting Hydrogen, National Renewable Energy Laboratory, November 1998, http://www 1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/25106.pdf
17. Padro C.E.G. and Putsche V. Survey of the Economics of Hydrogen Technologies, NREL, September 1999, http://www1.eere. energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/27079.pdf
18. The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation (GREET) Model, Transportation Technology R&D Center, http://www.transportation.anl.gov/software/GREET/
19. http://www. hydrogencarsnow. com
Приложение
Стоимость 100 км пробега,
Рис. 1. Влияние удорожания водородного автомобиля на стоимость 100 км пробега (наиболее вероятным ожидается рост на 25%)
Стоимость 100 км
Годовой пробег, км
Рис. 2. Влияние годового пробега автомобиля на стоимость 100 км пробега
Стоимость бензина, долл. / л
Рис.3. Влияние стоимости моторных топлив на стоимость 100 км пробега
Условные обозначения к Рис 1-3.
ПКМ (природный газ)
"Газификация угля
- Т ермохимическое разложение с ВТГР
■ Электролиз сеть
■ Электролиз ВЭС
■ Электролиз СЭС
*ПКМ (природный газ) децентр. Электролиз сеть децентр. •Бензиновый Дизельный ■Газовый
