Для массового применения топливных элементов в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 200 долл./кВт (при современной стоимости от 5 до 10 тыс. долл./кВт), что определяется уменьшением расхода платиновых металлов, применяемых в качестве катализаторов, и снижением стоимости используемых в качестве мембран срторированных и перфорированных пленок. Поскольку решение большинства из описанных выше проблем требует революционных научных открытий, многие зарубежные исследователи, например куратор исследовательской программы в области водородного топлива Министерства энергетики США Пит Девлин, подвергают сомнению целесообразность курса на создание дорогостоящих демонстрационных проектов автомобилей с топливными элементами. По их мнению, технологии в создании топливных элементов достигли своих пределов, и они не видят возможности для их быстрого усовершенствования. Сегодня технология топливных элементов развивается, в основном,из-за перспектив по обеспечению нулевого уровня токсичности.
Более перспективным является другой путь внедрения жидкого водорода на автотранспорте — сжигание его в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Такой подход реализуется рядом ведущих автостроительных компаний, таких как, например, «BMW», «Ford» и «Mazda».
На «BMW» создан опытный автомобиль «745Н», в двигателе которого сжигается водородное горючее. Жидкий водород запасается в криогенном баке. Специальными электронноуправляемыми форсунками газ подается в цилиндры. При сильном обеднении водородновоздушной смеси (в 2 с лишним раза против стехиометрического состава) в камерах сгорания почти не образуются вредоносные оксиды азота (канцерогены); другие загрязнители при сжигании водорода в воздушной среде не формируются вовсе. В атмосферу поступает один только водяной пар. В этой же компании создан самый быстрый на сегодняшний день автомобиль, работающий на водородном топливе (рис. 3). Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч.
Перспективным представляется новое направление в двигателестроении на водородном топливе, основанное на применении двигателя Стирлинга. Этот двигатель до конца XX в. широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Однако в последнее время в ведущих мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки с целью применения водорода в качестве моторного топлива. Низкий уровень шума, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящего момента — все эти параметры дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время вытеснить двигатели внутреннего сгорания и топливные элементы в области водородной энергетики. Красноречивым примером подтверждения этого может являться практика создания рядом зарубежных фирм, таких как «ЧАСА», «Кокумс», «Мицубиси дзюкоге», анаэробных энергетических установок для космических летательных аппаратов и подводных лодок, в которых первоначально применяемые электрохимические генераторы на топливных элементах практически полностью были заменены на стирлинг-генераторы.
Достигнутые в настоящее время КПД в серийных и опытных образцах двигателей Стирлинга даже при умеренных температурах нагрева (600-700°С) представляются весьма внушительными цифрами — до 40%. В лучших зарубежных образцах двигателей Стирлинга удельная масса составляет 1.2-3 кг/кВт, а эффективный КПД до 45%.
Проблема замены традиционного моторного топлива жидким водородом выходит далеко за рамки задач, решаемых в автомобильной индустрии. Речь идет о новом технологическом укладе мировой экономики. По оценкам Джозефа Ромма, бывшего помощника министра энергетики США, скорее всего, автомобили, работающие на водороде, достигнут приемлемых экономических показателей (стоимость машины, стоимость одной заправки, уровень безопасности, количество вредных выбросов и т.д.) не ранее 2030 г. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в 4 раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для производства аналогичного количества энергии. Кроме того, остается проблемой создание «водородной инфраструктуры» — сети заправочных станций и сервисных центров, необходимых для обслуживания автомобилей, работающих на водородном топливе. По оценкам Аргоннской Национальной Лаборатории (Argonne National Laboratory), в масштабах США на эти цели требуется затратить более 600 млрд. долл.
В отчетах Американского физического общества и Национальной академии наук США говорится, что для реализации программы перевода транспорта на водородное топливо необходимо осуществить технологический прорыв. На сегодняшний день мировая энергетическая инфраструктура слишком хорошо развита, и, чтобы сделать водород конкурентоспособным по сравнению с традиционными видами топлива, необходимы большие капиталовложения.
По мнению автора, ориентировочные сроки внедрения водородной энергетики на транспорте могут быть следующие: США, Западная Европа, Япония — 2030 г., Россия, СНГ, страны-экспортеры нефти и природного газа — 2040-2050 гг.
Перевод транспорта на водород не может происходить директивно и быстро. Для такого революционного шага в условиях страны требуется кардинальная подготовка — от создания производства водорода до изменений в налоговой политике и экономического стимулирования применения альтернативного топлива. Сейчас во всех развитых страна мира приняты национальные программы такого перехода, но не непосредственно, а через энергетику, основанную на относительно более чистом топливе — природном газе (метане). Такие программы могут рассматриваться как промежуточный этап перехода к водородным технологиям и водородной экономике. Использование сжиженного природного газа подготовит переход к замене его водородом, поскольку для создания инфраструктуры производства, хранения и заправки СПГ, а затем и жидкого водорода, можно будет использовать в значительной мере однотипное криогенное оборудование.
Можно предположить, что внедрение альтернативных моторных топлив в Российской Федерации будет иметь следующие этапы:
I — 2007-2040 гг. Создание инфраструктуры производства и переход на применение СПГ;
II — 2035-2050 гг. Создание инфраструктуры производства, хранения и переход на применение сжиженного водорода.
В ближайшее время в стране необходимо создать криогенную инфраструктуру и поэтапно переводить автотранспорт на СПГ, а в перспективе — на жидкий водород. Учитывая, что на первоначальном этапе более перспективным моторным топливом является СПГ, технологические решения по созданию криогенных заправочных станций СПГ должны быть таковы, чтобы эти станции можно было при необходимости быстро и без лишних капитальных затрат модернизировать в криогенные заправочные станции жидкого водорода. Такие станции могут быть созданы на основе установок с применением криогенных газовых машин Стирлинга (КГМ).
КГМ Стирлинга относятся к ожижителям, действие которых основано только на внешнем охлаждении. Процесс ожижения газа идет при атмосферном давлении, без предварительного сжатия. Это позволяет делать установки компактными и простыми в обслуживании.
В условиях Российской Федерации использование криогенных машин Стирлинга позволяет разработать принципиально новую концепцию создания инфраструктуры заправочных станций криогенных моторных топлив для автомобильного транспорта. Предлагаемая для городских условий инфраструктура основана на разумном сочетании небольшого количества крупных муниципальных заправочных комплексов и многочисленных малогабаритных заправочных станций, расположенных непосредственно в гаражах автохозяйств. Основная нагрузка по обеспечению автотранспорта криогенным топливом должна ложиться именно на гаражные заправочные станции, а городские заправочные комплексы будут предназначаться только для дозаправки промышленного и общественного транспорта при его эксплуатации в черте города и междугородних перевозках. Специфика подхода к созданию такой инфраструктуры определяется особенностями криогенных топлив: их высокой испаряемостью, значительными потерями при транспортировке и заправке баков автотранспортных средств.
В настоящее время создан необходимый научно-технический и патентный задел, включающий в себя методологические основы расчета и технико-экономического обоснования криогенных гаражных заправочных станций, разработаны принципиальные схемы и технические решения, защищенные патентами РФ, что обеспечивает создание криогенной инфраструктуры СПГ и жидкого водорода в кратчайшие сроки. Компанией, ведущей разработки в этой области, является 000 «Инновационно-исследовательский центр "Стирлинг-технологии"». В начале 2006 г. планируется введение в опытно-промышленную эксплуатацию КриоАЗС на основе КГМ Стирлинга для заправки автотранспорта сжиженным природным газом на 41 автокомбинате г. Москвы. Данная КриоАЗС будет прототипом будущих гаражных заправочных станций жидкого водорода.