Поможет ли водород выиграть в топливной эффективности? Посмотрим!
Если начать считать, то выяснится, что полностью заправленный Boeing 787-10 Dreamliner может пролететь 12.8 тысяч километров, перевозя около 300 пассажиров вместе с их багажом и другим грузом. Если же мы захотим повторить подобное, используя электрическую батарею, то её масса будет порядка 3 тысяч тонн. И вот тут кажется, что экологические преимущества современных концептов сходят на нет, и у нас никогда не появятся электрические авиалайнеры на дальние дистанции… Или же в этом что-то есть?
Авиационные компании, работающие над созданием "чистых" самолётов, изучают различные возможности для питания электрических двигателей, в том числе использование водорода, самого распространённого в мире элемента. Самолёты с водородными двигателями уже летают, хотя в основном это небольшие экспериментальные самолёты, о некоторых из можно узнать на нашем Telegram-канале. И, как мне кажется, именно подобные ЛА, несмотря на штучный характер, помогают проложить путь к авиации с нулевым выбросом, стратегии, которую хотят реализовать к 2050 году. Хотя запасов водорода много, есть ряд нюансов, которые необходимо выяснить. Итак, приступаем!
Однако, хороший пример заразителен
Компания Airbus, известная своими экологичными проектами, отметила в лице Аманды Симпсон следующее: «Есть три способа использовать водород в качестве топлива на борту самолёта. Водород может быть источником энергии для топливных элементов, в гибридных самолётах или в качестве горючего топлива». Наиболее близкие ассоциации возникают при упоминании автомобильной промышленности, где технологии альтернативного топлива хорошо зарекомендовали себя. Дизельные автомобили, работающие на отработанном масле для жарки картофеля, существуют ещё с момента появления первых безлошадных экипажей. Гибридные газовые и электрические автомобили, такие как Toyota Prius, доступны уже с 1997 года. Но при этом только несколько моделей, включая Toyota Mirai и Hyundai Nexo, используют водородные топливные элементы.
Когда Вал Мифтахов только основал компанию ZeroAvia для разработки экологически чистых самолётов, он решил использовать электрические батареи. Сибирский эмигрант и физик на ранних этапах проекта переоборудовал бензиновые двигатели в электрические, а также дорабатывал систему зарядки. Но аккумуляторы в рамках подобных решений выдерживали только самые короткие маршруты, например, тренировочные полёты. Как отметил Мифтахов: «Если задача длится не больше часа, то ёмкости батарей хватит».
И теперь, компания ZeroAvia пошла по другому пути, выбрав в качестве топливных элементов, батареи, где ион лития заменяется водородом. Как отметил глава компании: «Водород примечателен плотностью своей энергии, которая примерно в три раза больше, чем у классического сжигаемого топлива. Побочным продуктом горения водорода является вода. Водород можно получать из воды и возобновляемых источников энергии, но большая его часть сейчас все-равно производится из природного газа, который не особо то и экологичен».
Экология ли и экономия ли?
Вал также признал, что контейнеры для хранения водорода, которые предназначены для наземного транспорта, неприменимы для самолётов: «Нам нужно сосредоточиться на снижении веса». Да, в отличие от электрических батарей, водородные топливные элементы можно перезарядить за считанные минуты, но заправочных станций мало, а их строительство затратно.
По словам Пэта Андерсона, профессора аэрокосмической техники, университета Эмбри-Риддла, эта проблема менее критична для гибридных самолётов. Современные системы могут попеременно использовать сочетание электроэнергии и мощности сгорания или же использовать двигатель внутреннего сгорания в качестве генератора для выработки электроэнергии. По словам Андерсона, комбинации различных решений дадут самолётам большую дальность полёта, чем использование отдельно батарей или топливных элементов.
Ещё один эксперт Рой Ганзарски отметил также и то, что независимо от источника энергии, у электродвигателей есть одно существенное преимущество – стоимость эксплуатации. «Самолеты сегодня действительно очень дороги, и главная причина - в двигателях. Они требуют много ухода и потребляют много дорогостоящего топлива. Я могу снизить эксплуатационные расходы на этот самолёт в среднем на 40-50 процентов только за счёт того, что электродвигатели требуют значительно меньшего сервисного обслуживания».
Упомянув ZeroAvia, стоит рассказать и о решение, представленное Harbour Air, которая позиционирует себя как «крупнейшая в мире авиакомпания гидросамолетов». Сейчас концерн добивается разрешения на перевозку пассажиров на своём электрическом двигателе MagniX de Havilland dhc-2 Beaver. Успех своего мероприятия они подтверждают удачным полётом 10-местного самолёта Cessna Grand, оснащённый упомянутой выше установкой.
Да, с точки зрения поднятия в воздух B787 подобное не особо впечатляет. Но это не значит, что большие самолёты не могут стать экологичными или, по крайней мере, более экологичными. Несколько нефтеперерабатывающих предприятий и авиакомпаний экспериментируют с экологически безопасным авиационным топливом, известным как SAF. Эти виды топлива, которые горят так же, как и обычное топливо «Jet A», могут быть получены из отходов, таких как использованные кулинарные жиры. А такие компании, как Neste, используют водород для очистки своей вариации топлива SAF.
Хотя и SAF топливо может успешно справляться со снижением уровня выбросов, как-то порой упускается, что миру уже несколько десятилетий известны примеры крупных самолётов, которые успешно летают, сжигая чистый водород без выбросов. Так, в 1957 году Martin B-57B частично выполнял полёт, используя водород в качестве заправочного элемента. А в 1988 году советский авиалайнер Ту-155, используя тот же тип топлива прошёл серию испытаний.
И тут встаёт вопрос, почему же подобные самолёты не пошли в серию, а любое упоминание о водородном самолёте означает обращение к дирижаблям? Прежде всего, необходимо отметить, что водород использовался ещё с 1783 года для воздушных шаров. Однако, его авиационное будущее омрачилось 6 мая 1937 года, когда дирижабль «Гинденбург» публично загорелся при посадке в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, убив 36 человек. До сих пор ведутся споры о том, что вызвало подобную трагедию, водород или же легковоспламеняемая краска, нанесённая на обшивку ткани дирижабля. Но, как бы то ни было, репутации водорода это наносит ущерб и сегодня.
В современной хронике также нашёлся неудачный опыт использования водорода для воздушных судов. Так, компания ZeroAvia в апреле 2020 года отметилась аварией самолёта Piper Malibu Mirage M350, работающего на водородных топливных элементах. Хорошей новостью было то, что никто не по��традал, хотя самолёт потерял одно из крыльев. Более того, отсутствие утечки топлива и нагретого двигателя, способного его зажечь, позволило избежать возгорания, подобного трагедии 1937 года.
Как отмечает ранее упомянутый нами г-н Мифтахов: «Сама водородная система выдержала безупречную работу. Бригада экстренной помощи сказала, что, если бы это был самолёт, работающий на ископаемом топливе, пожар был бы в разы масштабнее».
Безопасность, однако, не единственный аргумент против водорода, цена производства и относительная экологичность также вызывают некоторые вопросы. Хотя «зелёный» водород можно производить с помощью воды и возобновляемых источников энергии, большая часть производимого в настоящее время так называемого «серого водорода» производится с использованием ископаемого топлива, которое ненамного чище, чем сжигание самого этого топлива.
Сторонники водорода в ответ на это заявляют, что технологические усовершенствования и увеличение масштабов производства помогут снизить стоимость до 1 доллара за килограмм, т.е. до точки, в которой водород конкурентоспособен с ископаемым топливом. Этой же концепции придерживаются правительства в лице инициативы «Earthshots». В рамках данной программы уже запланированы инвестиции в размере 400 миллионов долларов в 2022 году для достижения стоимости в 1 доллар за килограмм водорода в течение 10 лет. Также «водородные активисты», такие как г-н Ганзарский, утверждают, что, хотя производство зелёного водорода может быть дорогостоящим, цена отказа от использования водородных самолётов может быть ещё выше. Особенно с учётом того, что выбросы вредят вашему здоровью, а его потом не купишь ни за какие деньги.