Прежде чем перейти к анализу технических решений, напомню, что 15 октября 2021 года в своем интервью газете «Коммерсант» Вадим Сорокин, президент Группы ГАЗ, назвал водород источником энергии будущего (ссылка – на нашем сайте и в электронной версии журнала). Причем, говоря о технологиях его применения на автомобилях, он упомянул как топливные ячейки, так и двигатели внутреннего сгорания, в которых водород используется примерно так же, как обычный природный газ. Думаю, важно подчеркнуть, что в числе прочего спикер остановился и на стоимости водородного автомобиля (кстати, об этом он говорил и на пресс-конференции осенью 2021 года в Москве, где автор присутствовал лично). Итак:

■ Если стоимость обычного дизельного автобуса принять за 1 (единицу), то его полностью электрическая версия будет в три раза дороже. Водородная, но на топливных элементах, дороже электрической еще в три раза (1х3х3=9).

■ Однако если рассматривать автобус, где ДВС работает на водороде, то он лишь в полтора раза дороже дизельного аналога...

Это известная тенденция, впрочем, сдается, что на нынешнем этапе развития твердотельных накопителей для электротранспорта. Достоинством водородных силовых установок считают: а) быстроту заправки и б) бòльший запас хода между заправками. С первым пунктом понятно: водород – это сжатый или сжиженный газ, посему в первом приближении все очень похоже. Но вот второй пункт… Уточню: пока мы говорим о городских (возможно, пригородных) автобусах, а не о магистральных тягачах. Например, 13.09.2021 на сайте rostec.ru была опубликована новость «Инновации в пути: водородобусы на смену электробусам» (ссылка – на нашем сайте и в электронной версии журнала). Цитата: «Водородобус может проехать без подзарядки 250 км, в то время как электробус – 70 км…»
Однако посмотрите «Мимоездом (1)»: MAN Lion's City E или IVECO E-WAY. Какие 70 км? Из отечественных могу припомнить, например, про Volgabus CR12E – запас хода более 250 км – или премьеру осени-2021 – электробус-6245 «Пионер max» (ПК «Транспортные системы»), причем сочлененный и с двумя ведущими мостами (!) – у него более 200 км...

■ В мае 2021 года электробус MAN Lion's City E (на фото) на одной зарядке проехал 550,8 км (24 часа на линии, производитель гарантирует пробег не менее 300 км на одной зарядке в течение всего срока службы накопителей, а это до 10 лет). Кстати, у машины только «ночная зарядка» – три часа до 80% емкости.
■ В июле 2021 года IVECO E-WAY на одной зарядке отработал две 16-часовых смены подряд (общий пробег 543 км). Зарядка через день тоже вариант, не правда ли?
Если неким автопассажирским перевозчикам таких пробегов недостаточно, причем именно на городских (возможно, и пригородных) маршрутах, просьба сообщить в редакцию журнала «КТТ» их номера, режимы работы подвижного состава в часах и названия городков, городов и мегаполисов. И если можно: «Номер вашей планеты в Тентуре и номер Галактики в Спирали...»

Закономерный вопрос: откуда же взялась цитируемая многими СМИ (и даже специалистами) цифра «70»?
Боюсь, что она «лукавая»...
Хотя ее источник мне понятен: это спецификации электробусов КАМАЗ-6274 и ЛиАЗ-6274 для Мосгортранса. У первого накопители 80 кВт·ч, у второго – 77. Отсюда и такой небольшой запас хода между зарядками...

«Проблема» в том, что автору в 2018 году довелось общаться с одним из руководителей Мосгортранса, так что могу пояснить, почему именно «маленькие накопители и быстрая зарядка» (кстати, «медленная»/ночная на московских машинах конструктивно тоже предусмотрена).
Так вот покупатель при формировании спецификации к заказу исходил из того, что в городе уже имеется порядка 200 тяговых подстанций (троллейбусных и трамвайных), которые можно использовать для зарядки накопителей электробусов, например, на конечных или в парке, причем в течение 24 часов. И емкости накопителей вполне хватает на два-три рейсооборота. Время зарядки минимальное, тем более что водителю вообще-то тоже надо иногда передохнуть: чай/кофе + бутербродик с колбаской или горячее покушать. А то и просто ноги размять.
Альтернатива? Да, есть: электробусы с большим запасом хода (и только ночная зарядка). Но ведь паузы в работе водителя все равно необходимы. Кроме того, получается, что имеющиеся подстанции больше не нужны? Их что – демонтировать? А потом, тоже за бюджетные деньги, построить на 17 площадках отстоя новые, к которым после полной замены существующего парка ночью придется подключить одновременно порядка 5500 электробусов (данная цифра – это нынешний парк автобусов столицы, который в перспективе планируется перевести на электропривод).

Если резюмировать: более чем странно особенности спецификаций из одного-единственного (и самого первого) контракта переносить на целый класс/тип подвижного состава, причем в раздел «недостатки».
«Черный PR» – так это называется? Или ошибаюсь?

Далее перейдем к технике, но вначале немного истории.

Водородный поршневой двигатель для автомобиля первым разработал и испытал французский офицер Франсуа Исаак де Риваз (1807 год). Позже, в 1860 году, Этьен Ленуар построил свой гиппомобиль (Hippomobile). Всего его транспортных средств со странным названием было несколько модификаций. Все на газовом топливе, причем один мог использовать водород, полученный путем электролиза, в качестве топлива. Кстати, он развивал 700 Вт при 80 об/мин и имел КПД около 3%.

Дальнейшую историю оставлю для будущих публикаций, однако упомяну, что в 1996 году MAN попытался оснастить некоторые городские автобусы водородными двигателями внутреннего сгорания. Они работали по циклу Отто и имели внешнее смесеобразование (подача газа в ресивер). В последующих модификациях использовался и прямой впрыск, но цикл также был с принудительным воспламенением. Увы, здесь далее опытной партии процесс внедрения не пошел, хотя машины работали на регулярных маршрутах в Берлине и Гамбурге.

В 2000 году концерн «BMW» построил водородный E38 750hL – серия 15 единиц (здесь стоит уточнить, что двигатель был, по сути, двухтопливный – на некоторых режимах использовался бензин). Семью годами позже, в 2007-м, представили его преемника – E68. И здесь тоже двухтопливный мотор, хотя серия уже 100 единиц.

В августе 2021-го Deutz AG заявил о создании ДВС на водороде, его серийное производство намечено на 2024 год. Правда, судя по официальному сайту концерна, речь идет о стационарном двигателе для привода энергоустановок. Однако в Сети мелькнула информация, что некий стартап заявил о планах его использования на автобусах. Иных подробностей по проекту нет.

Если резюмировать короткую историческую справку, то трудно избавиться от ощущения, что за 215 лет массовый водородный ДВС так и не получился. Давайте попробуем разобраться с проблемами (ведь водород, как и, например, метан – это тоже газ). Подчеркну сразу: различия во взрывоопасных концентрациях и тротиловых эквивалентах водорода и упомянутого метана не являются темой настоящей публикации.

Все двигатели, о которых пойдет речь ниже, работают по циклу Отто: рабочий процесс с принудительным воспламенением. Более того, как правило, даже по сравнению с газомоторыми вариантами из-за особенностей водорода у них может быть понижена степень сжатия (например, у BMW Hydrogen 7). Тем не менее, хотя они не отличаются высоким моментом, мощность все-таки выше, чем, например, у бензиновых аналогов.

Разумеется, известны попытки использовать водород в дизельных двигателях (цикл Дизеля – с воспламенением от сжатия). Однако работоспособный вариант получается только при использовании предварительного (т.н. «пилотного») впрыска некоторой дозы дизельного топлива. Если сильно утрировать технологию: газ подается уже на горящий факел ДТ, горит сам и дожигает его остатки. Предположу, что в целом организация рабочего процесса чем-то сходна с двигателями Volvo G13C. Как помните, оба мотора этого семейства работают на сжиженном газе, но каждый цикл сгорания начинается с впрыска ДТ – примерно 10% по объему.
Понятно, что водородный дизель получается явно не Zero Emission (он имеет вредные выбросы из-за использования ДТ). И, например, по сравнению с G13C он будет лишь чуть лучше по выбросам, хотя при этом использует более дорогой и более сложный в применении газ.

Hydrogen and Compressed Natural Gas (HCNG), или H2CNG, – смесь водорода (от 5 до 40% по объему) и природного газа. Используется в качестве топлива для ДВС и бытовой техники. Основное достоинство: снижение вредных выбросов. Например, NOx – оксидов азота – на 50%.

Автобусы на HCNG эксплуатируются в США и Канаде (двигатели Cummins). Используется и в других странах, например в Индии, но подробностей нет. По данным U.S. Department of Energy, при содержании водорода до 20% по объему модернизации как газовых двигателей, так и всей инфраструктуры не требуется.

Отчет № 1. Презентация «Hydrogen – the fuel of the future» компании «NEOMAN Bus GmbH» (2005 год). В ней для своего водородного MAN H2876 UH01 – 12,8 л баварцы привели такие цифры:
■ НС – 0,04 г/кВт·ч; NOX – 0,2 г/кВт·ч и РМ – 0,02 г/кВт·ч.
Для сравнения приведу другие:
■ НС – 0,16 г/кВт·ч; NOX – 0,46 г/кВт·ч и РМ – 0,01 г/кВт·ч.
«Другие» – это требования стандарта Euro-6 (Commission Regulation, EU N582/2011: для дизельных двигателей крупнотоннажных ТС, цикл WHTC – переменных режимов). Нет сомнений: водородный ДВС по «чистоте» выхлопа превосходит требования стандарта Euro-6, а тогда, 14 лет, назад его вообще сравнивали с Euro-4 и Euro-5!

Но есть маленькая проблема (еще цифры):
■ НС – 0,01 г/кВт·ч; NOX – 0,28 г/кВт·ч и РМ – 0,003 г/кВт·ч.
Как вам эти по сравнению с Euro-6?
А ведь это обычный газовый 9-литровый Scania OC 09!
Хотя понятно, этот мотор был выпущен почти на 10 лет позже мановского, у него более совершенная конструкция и система нейтрализации...

Отчет № 2. Доклад «BMW Twelve-Cylinder Engines», автор Libor Macek, Institute of Automotive Engineering, Brno (Брно), Чешская Республика (2015 год). Мотор на основе BMW N73, разумеется, экзотика для коммерческого транспорта, но сегодня мы говорим лишь об использовании водорода в ДВС, а здесь любой опыт (особенно подкрепленный цифрами) важен.

Необходимо подчеркнуть: в этом случае был использован сжиженный водород. Его температура в криобаках при заправке составила −253 °С. Для тех, кто забыл школьную физику, напомню: абсолютный ноль (температура, при которой прекращается атомарное движение) −273 °С... Посему, как подчеркивает отчет об испытаниях, производителю пришлось «некоторое время» потратить на подбор конструкционных материалов, особенно прокладок и уплотнений различного типа.

Но появилась еще одна проблема. Во время стоянки автомобиля с выключенным двигателем происходил неизбежный нагрев жидкого водорода и начинался его переход в газообразное состояние (и потери через клапан избыточного давления). При испытаниях анализировались различные условия стоянки машины, но процесс начинался максимум через 19 часов (в сутках 24). За 10-12 дней 170-литровый баллон с жидким водородом (восемь кг по массе) полностью терял все свое содержимое.

В принципе, решение есть, оно известно и проверено на газомоторной технике – дегазация. Однако, в отличие от сжиженного метана, здесь в баке лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля...

Считается, что основным достоинством водорода как топлива является полное отсутствие вредных выбросов – из выхлопной трубы выходит только водяной пар. И действительно (вспомним школьную химию):

Н2+О2=Н2О+О (вода + ...атомарный кислород?)

Но есть маленький нюанс: указанная формула работает, только если происходит реакция водорода с чистым кислородом, иными словами, в лаборатории.
Однако в далеком 1754 году шотландский физик и химик Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов. И кислорода в нем только 20,95% по объему (23,15% по массе), остальное – другие газы. В том числе азот – 78,08% по объему (75,5% по массе).
И, похоже, на самом деле реакция выглядит так:

H2+O2+N2→°t→H2O+NOX+N2

Думается так: в реакции присутствуют три двухатомных газа: H2,O2 и N2 (водород, кислород и азот). Теоретически, да - Н2+О2=Н2О, но остается один атом кислорода. При высокой температуре процесса, он реагирует с атмосферным азотом, и часть газа окисляется до оксидов NOX...
Это значит, что у самого «чистого» водородного двигателя все-таки есть выбросы оксидов азота (= вредные выбросы?)! На дизелях для борьбы с ними использовались технологии EGR и SCR (с реагентом AdBlue). Здесь тоже что-то нужно? Опять?!

В качестве еще одного примера слайд из доклада «Hydrogen Use In Internal Combustion Engines», College of the Desert (City of Palm Desert, California, United States).

Анализ выхлопных газов проводился на моторном стенде в лаборатории без использования систем нейтрализации. Обозначены: А – водородный двигатель; Б – бензиновый.
По горизонтальной оси «Фи» – это коэффициент эквивалентности (Equivalence Ratio). Определяется как соотношение стехиометрического состава рабочей смеси (воздух + топливо), при котором происходит максимально полное сгорание, к фактическому на данном режиме по оборотам и нагрузке.
Очевидно, что водород в смеси с воздухом (= кислородом из воздуха) горит в более широком диапазоне соотношений, чем бензин. Но в данном случае следует обратить внимание на выбросы оксидов азота NOX.

Получается, что система нейтрализации отработавших газов по-прежнему нужна?

Вернемся к BMW. Автомобиль тестировался на различных режимах, и по итогам было отмечено, что выбросы CO2, CО или HC при замере после штатной системы нейтрализации отработавших газов отсутствуют/в погрешности измерений. Вместе с тем по результатам был сделан прогноз, что в повседневной длительной эксплуатации остаточные углеводороды (НС) могут стать проблемой.
Особо отмечено, что в целом «чистому» выхлопу кроме многоступенчатой системы нейтрализации способствовала как очень высокая температура цикла сгорания, так и низкое содержание CO2 в атмосферном воздухе.
Но из-за температуры, как вы догадались, фиксировалось высокое содержание NOX.
Причем в режиме максимальной мощности остаточные оксиды азота обнаруживались даже после системы нейтрализаторов.
Более того: при длительном движении в таком режиме отмечался критический перегрев нейтрализаторов, для устранения которого использовалось... принудительное отключение двух цилиндров. Также вполне ожидаемо проблемы с нейтрализацией NOX были выявлены и на низких оборотах.
Причина известна еще с начала внедрения SCR-технологии на «наших» дизелях: недостаточный прогрев нейтрализатора при движении на малых оборотах ДВС и с частыми остановками (в пробках на городских улицах)...

Увы, выбросы NOX – это еще не все. Есть и более серьезная проблема. Впрочем, она существует, только если говорить о Zero Emission – нулевом уровне вредных выбросов. И имя ее (не удивляйтесь): система смазки.

Ветераны автопрома и эксплуатации, без сомнения, помнят такой параметр (даже строчку в технических данных ДВС), как «расход масла на угар». Для современных моторов, особенно европейского производства, эта цифра обычно не указывается.

Таковы особенности сегодняшних технологий: минимальные зазоры, качественные конструкционные материалы, незначительный износ в парах трения, в том числе и по причине применения современных моторных масел. Но тем не менее они попадают в камеру сгорания и горят. Как в ДТ, так и в бензине или водороде. Отсюда дополнительные вредные выбросы, например остаточные углеводороды.
Более того, на дизельной/бензиновой «классике» мы помним/видели нагар/налет, в частности на деталях ЦПГ. Это результат пиролиза частиц/микрокапель топлива/масла – содержащийся в них углерод «спекается» в такую пленку. Водород сжигает вообще все, и налет больше не образуется (куда попадет углерод после сгорания остатков масла – догадайтесь сами). Но это половина проблемы.

Вторая половина – это неизбежный рост расхода масла (в том числе и на угар) по мере износа двигателя. А значит, выбросы HC будут неизбежно возрастать, как и нагрузка на систему нейтрализации отработавших газов. Это при том что в условиях городского движения она и так неэффективна из-за недостаточного прогрева нейтрализатора(-ов).

И еще один важный момент. Известно, что при контакте водорода со смазочным маслом (например, после остановки двигателя не исключено просачивание остатков газа из цилиндров в картер) неизбежно начинается процесс гидрирования. Мне не удалось найти точную информацию о последствиях это процесса именно для водородных ДВС и применяемых в них моторных масел. Хотя жидкие растительные масла в процессе гидрирования переходят в твердую (или пластичную) форму. Посему интересно, как без лабораторного анализа содержимого в картере рассчитать интервал замены масла и что будет с фильтрами, если масло в картере и магистралях превратится в «пластилин»?

Апологеты водородных технологий уверяют, что выход есть: полный отказ от системы смазки и использование керамики во всех парах трения поршневых ДВС.
Да, как инженер-двигателист по образованию, допускаю такое решение. Например, для моторов болидов F1, тем более там порядка 20 000 об/мин, а значит, масляная пленка в парах трения и так нестабильна, а при больших нагрузках вообще разрушается.

У автора нет сомнений, что автобус с водородным ДВС можно построить и в России.

Проблема в том, что по уровню вредных выбросов он будет, пожалуй, лишь чуть лучше конкурента с двигателем на природном газе. Однако с учетом особенностей водорода, включая его бòльшую опасность, он потребует создания более сложной инфраструктуры, включая парковую и сервисную. Альтернатива – электробусы, которые сегодня могут иметь пробеги между зарядками 200-300 и более км, что, как представляется, вполне достаточно для подавляющего большинства городских и пригородных маршрутов. Причем зарядка накопителей большой емкости (например, у MAN Lion's City E порядка трех часов) может производиться в период ночного отстоя, который используется также для смены водителей, ежедневного ТО и мойки-уборки салона. Иными словами, и здесь преимущества водородобусов не очевидны.

Не исключено, что в следующем номере мы вернемся к данной теме. И поговорим о топливных элементах, которые Илон Маск однажды назвал «fool-cell». Уверяю, это его не первая ошибка, хотя проблем и там достаточно.