Тренд на декарбонизацию ускоряет технологический прогресс

Официальный Токио активно поддерживает развитие транспорта на альтернативных топливных элементах. Фото Reuters

3 апреля в пустыне на северо-западе Саудовской Аравии прошел первый этап автогонки по бездорожью Extreme E только для электрических внедорожников с участием девяти команд. К концу года команды должны принять участие еще в пяти этапах, включая арктическую гонку в Гренландии и одну через тропические леса в Бразилии. Цель гонок Extreme E, как утверждает их руководство, привлечь внимание общественности к изменениям климата на планете, тем самым «побудив людей принять меры к формированию в будущем декарбонизированного общества».

Японские средства массовой информации, публикуя сообщения об этих гонках, указывают, что они спонсируются крупнейшими мировыми автогигантами, и это свидетельствует о том, что в мировом автомобилестроении грядут большие перемены, а именно – переход к эпохе электроавтомобилей.

С начала ХХ века с конвейерного производства модели Ford Model-T с бензиновым двигателем в США мировые автопроизводители все силы направляли на разработку двигателей внутреннего сгорания (ДВС), сердца автомобиля. Были и электроавтомобили с батареями и электромоторами, но они уступали ДВС. Прежде всего из-за невозможности обеспечить достаточные емкости и мощности батарей.

Японские автокомпании в послевоенные годы начинали с ноля и преуспели благодаря надежности и другим качествам своих моделей, но прежде всего двигателей. С 2008 года японская корпорация Toyota Motor Corp. вышла в лидеры мировой автоиндустрии, лишь в отдельные годы уступая первое место конкурентам. В десятке рейтинга еще три японских автоконцерна. На первом месте причиной этого успеха всеми признается качество японских машин. Но у обозревателей за скобками успеха почему-то остается законодательно формируемая и контролируемая государством конкуренция между японскими национальными компаниями.

Характерно, например, что в 1970-х годах в автостроении Японии было зарегистрировано 9 корпораций и компаний. Многие из них тогда уступали своим конкурентам из США и ФРГ. Поэтому в политических кругах Японии обсуждался вопрос о внесении поправок в антимонопольные законы, облегчающие слияния японским компаниям отрасли, чтобы усилить их позиции в конкурентной борьбе. Но в итоге ради сохранения конкуренции было решено оставить законы в силе.

Дух конкуренции в производстве стремились поддерживать и сами руководители японских автогигантов. В большинстве из них были свои самостоятельные компании, производившие автомобильные двигатели. Они с запасом обеспечивали потребности конвейеров своих сборочных заводов. Но если двигатели какого-то завода пользовались успехом у потребителей, его «запас» направлялся на конвейеры сборочных производств, а неудачникам приходилось искать причину у себя на производстве формированием, например, «кружков качества».

Это удивляло американцев, а японские заводы в конкурентной «борьбе» искали пути снижения себестоимости производства во всем, в большом и малом. Когда внедрялись станки-автоматы для производства крепежных деталей, устаревшие токарно-револьверные станки не выбрасывались, а перевозились в рыбацкие деревушки, устанавливались в сараях, где члены рыбацких семей осваивали простейшие операции. Раз в неделю семья рыбаков получала прутки-заготовки и сдавала болты и шайбы, которые вытачивали члены семьи в свободное время, конкурируя с заводскими автоматами.

Эта низшая ступень аутсорсинга постепенно распространилась на весь объем деталей и компонентов, поступающих на конвейеры сборки автозаводов. Так, например, электрооборудование или отдельные блоки поставлялись небольшими аффилированными компаниями, конкурирующими между собой. Благодаря многим другим организационным методам японские автомобильные компании и вышли в число ведущих в мире.

Смена приоритетов

Век назад электромоторы уступили первенство ДВС в связи с тем, что не было мощных силовых батарей, хотя силовые электродвигатели имели ряд преимуществ перед ДВС. Недаром тепловозы уступили место электрической тяге на железных дорогах, а на воде появились дизель-электроходы. И только в секторе автотранспорта ДВС долго были без конкуренции. Лишь в начале нынешнего века с развитием батарей серийно стали производиться автомобили с силовыми электромоторами, питаемыми от батарей.

Их производство стало быстро наращиваться с начала века в связи с наблюдаемым на планете потеплением климата и пониманием, пока не доказанным окончательно, что во многом потепление связано с жизнедеятельностью человека, и в первую очередь с выбросами СО2 в атмосферу автомобилями с ДВС. Это грозит революцией в автомобилестроении и отказом от ДВС, к чему уже готовятся руководители ряда стран.

По данным Ассоциации автодилеров Японии, в 2019 году автомобили, у которых силовые двигатели работают на электричестве, уже составили 40% от общего объема продаж новых автомобилей в стране. Премьер-министр Японии Есихидэ Суга поставил задачу, чтобы к 2035 году все продаваемые в стране автомобили работали на электричестве.

Великобритания к 2035 году планирует запретить продажу в стране автомобилей с ДВС. Руководство штата Калифорния США предупредило о намерении к тому же году принять закон, по которому все новые продаваемые в штате автомобили будут только с нулевым уровнем выбросов СО2.

Правительство Китая, крупнейшего в мире автомобильного рынка с ежегодными продажами новых автомобилей свыше 25 млн единиц, в ноябре прошлого года обнародовало план развития «новых энергетических транспортных средств», целью которого ставит довести долю электроавтомобилей до 20% производства. Пока, правда, речь не идет о сроках полного запрета ДВС.

Лидер мировой автоиндустрии корпорация Toyota Motor Corp. на Шанхайском автосалоне 2021 года отметилась тем, что представила 15 моделей автомобилей с силовыми аккумуляторными батареями (battery electric vehicle, BEV). Их она намерена реализовывать по всему миру, но в первую очередь на рынках Китая, США и Европы, где целью ставится «достижение углеродной нейтральности» до 2050 года. Корпорация, как заявил ее представитель, намерена увеличить число моделей своих BEV с нынешних 55 до 70. При этом более 20 запустить в производство в Китае к 2025 году.

Идет процесс смены ДВС на BEV, продлится он по крайней мере до 2050-х годов, поскольку самим силовым аккумуляторным батареям уже есть реальная, более эффективная замена. Огромным прорывом в этом стало изобретение и внедрение вместо электробатарей водородных топливных элементов (ВТЭ).

От «гибридов» к ВТЭ

Инженеры автоконцернов вместе с усовершенствованием силовых батарей искали им замену. В декабре 1997 года прорывом стало начало выпуска японской корпорацией Toyota Motor Corp. серийного выпуска «гибридного» автомобиля Toyota Prius. Но у «гибридов» есть и ДВС, правда, с низкими выбросами СО2, поскольку работает он в стабильном режиме и при малой нагрузке на подзарядку силовой батареи.

Корпорация Nissan Motor Corp. – основной конкурент Toyota Motor Corp. среди японских автомобильных компаний – также долгие годы работала над автомобилем с силовым электрическим двигателем. Но при этом пыталась создать именно электроавтомобиль (ЭАМ), а не «гибрид». В 2010 году в серийное производство была запущена модель ЭАМ Nissan Leaf.

За лидерами последовали и другие автопроизводители Японии. «Гибриды» и ЭАМ совершенствовались и наращивали процент реализации на внутреннем рынке страны благодаря поддержке государства и эффективной рекламной экологической кампании. Но с большим трудом они выходили на внешние рынки. Нужно отметить, что японские модели успешно конкурировали с моделями автомобильных гигантов других стран. Но продажи ЭАМ и «гибридов» оставались просто символическими.

Первопроходцами в Японии были корпорация Toyota Motor Corp. и ее модель Toyota Mirai. Впервые она была представлена публике в ноябре 2013 года на Токийском автосалоне. Автомобиль создан на основе концепт-кара Toyota FCV. Продажи в Японии стартовали 15 декабря 2014 года и составили всего несколько тысяч. До конца 2015 года было продано около 700 автомобилей, из них 400 в Японии. В 2018 году в США продано 1700 автомобилей, в 2019 году – 1502 автомобиля.

Покупали автомобили только состоятельные люди для демонстрации своей поддержки экологических движений в своих странах. По цене в 2–3 раза дороже, чем автомобили подобного класса с ДВС. Везде было много проблем с развитием инфраструктуры. Долгое время в конкуренции «гибридов» и ЭАМ выигрывали «гибриды». Но развивались и ЭАМ. Совершенствовались силовые батареи, росла их емкость, сокращалось время подзарядки с часов до нескольких десятков минут.

Но у «гибридов» появился конкурент, принципиально новые устройства – водородные топливные элементы (ВТЭ). Возможность использования водорода как нового базового источника энергии в Японии рассматривалась давно, особенно на транспорте. Важной вехой стало формирование в январе 2017 года при поддержке правительства и по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide Международного совета по водородным технологиям (Hydrogen Council), в который вошли около 30 корпораций, компаний и фирм ведущих стран автопроизводителей и энергетики. Цели совета весьма масштабные.

По опубликованным данным доклада совета, использование водорода для транспорта, отраслей промышленности и других энергетических потребностей позволит сократить ежегодные выбросы углерода на 6 млрд т к 2050 году. Но для этого уже к 2030 году потребуются инвестиции в размере 280 млрд долл. Из них около 110 млрд для финансирования внедрения водорода в транспорт, 80 млрд – в создание структуры его хранения, транспортировки и распределения, 70 млрд – для разработки ВТЭ под конкретные цели. Рынок водорода может обеспечить доходы более 2,5 трлн долл. в год.

Руководство Японии, учитывая, что «гибриды» и ЭАМ, утвердившись на внутреннем рынке, набирали популярность и за рубежом, считают, что так же будет и с автомобилями с ВТЭ. В 2018 году в правительстве страны, как сообщало японское агентство Kyodo News, был составлен план, по которому к началу Олимпиады летом 2020 года в стране предполагалось построить 160 станций заправки водородом (СЗВ). Правительство рассчитывало, что число станций заправки водородом (СЗВ) к концу 2025 финансового года (март 2026) удвоится, а общее число автомобилей с ВТЭ в стране превысит 200 тыс. Но коррективы в эти планы внесла пандемия. Олимпиада-2020 не состоялась, тем не менее сейчас в Японии уже насчитывается более 3 тыс. автомобилей на ВТЭ.

В одном ряду с ВИЭ

При анализе энергетического баланса японские экономисты, с одной стороны, включают водород в один ряд с первичными энергетическими ресурсами – ископаемыми углем, нефтью, газом, а с другой стороны – и с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), которые вместе с атомной энергетикой (АЭС) рассматриваются в блоке как «безуглеродные» источники энергии, если заходит речь о проблемах экологии. Внедрение водорода в этот блок идет через сектор транспорта.

В конечном счете все разновидности энергетических ресурсов доставляются до потребителей в большинстве случаев как электроэнергия – наиболее удобный для употребления во многих сферах вид энергии.

Все попытки использовать водород в качестве топлива по многим причинам оканчивались неудачно. Прежде всего потому, что большинство технологий получения водорода сами требуют затрат энергии. Целесообразно использовать водород в ВТЭ, если получать энергию от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а с ними у Японии проблемы. По прогнозу доклада Британской исследовательской организации Bloomberg New Energy Finance, в 2040 году в Японии на них будет приходиться лишь треть общего объема производства энергии в стране. Потенциал страны по ВИЭ небольшой.

Руководство Японии считает, что для выполнения экологических обязательств страны нужно повышать в импорте энергоресурсов доли безуглеродных источников, а в этом без импорта водорода уже трудно обойтись. Поэтому, по прогнозам Министерства экономики и промышленности страны, объем внутреннего ежегодного рынка водорода и ВТЭ в 2030 году достигнет 1 трлн иен (9 млрд долл.), а к 2050 году – 8 трлн иен.

В расчете на быстрый рост спроса на водород правительство Японии начало заранее готовиться к созданию хабов для производства и сбыта водорода, привлекая к этому частный капитал.

Был сформирован холдинг «Новая организация по развитию энергетики и промышленных технологий» (The New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO), которая построила завод по производству водорода в префектуре Фукусима. Завод стал ключевым объектом при формировании комплекса передовых отраслей промышленности в пострадавшем от природной катастрофы регионе.

Ежедневно на заводе производится водород в количестве, достаточном для обеспечения работы 560 автобусов с ВТЭ, которыми намечалось перевозить участников летних Олимпийских игр в Токио. Это должно было стать частью демонстрации достижений Японии в науке и технике.

Но намного ранее правительство Японии рассматривало варианты импорта водорода, поскольку расчеты показывали, что внутри страны наладить его производство весьма проблематично. Все технологии требуют запасов пресной воды и энергетических затрат для электролиза воды. При поддержке правительства и активном участии частного бизнеса были рассмотрены два возможных проекта объемных поставок водорода. Первый из Норвегии и второй из Австралии.

Наиболее перспективным на данном этапе принят австралийский вариант. Для производства водорода в настоящее время применяется метод извлечения его из воды электролизом. Энергия получается от тепловых электростанций (ТЭС), работающих на дешевых сортах угля в Австралии. Сжиженный водород, охлажденный до температуры ниже минус 253 градуса Цельсия, доставляется в Японию специальным танкером, построенным компанией Kawasaki Heavy Industries. В Японии в 2020 году планировалось начать работу двух водородных хабов в Токио и Кобэ по хранению и распределению импортного водорода. На водороде собственного производства уже работает хаб в префектуре Фукусима, откуда он распределяется потребителям на водородные заправочные станции (ВЗС), которые оборудуются на уже действующих бензоколонках.

Ставку на водород как на перспективный вид топлива в автотранспорте сделало руководство корпорации Toyota Motor Corp. Еще в начале 1990-х годов в ней начались разработки водородных топливных ячеек, произведен ряд опытных «водородных» автомобилей, общий пробег которых составлял свыше 1,6 млн км.

Весь накопленный опыт был сконцентрирован в автомобиле с ВТЭ Toyota Mirai, который корпорация представила в конце 2014 года. В центре безопасности Toyota автомобиль был подвергнут обширным краш-тестам, включающим фронтальные, боковые и задние удары. Структура кузова спроектирована таким образом, чтобы энергия удара распределялась и поглощалась несколькими его элементами.

Технические характеристики Toyota Mirai были сравнимы с автомобилями такого же класса с ДВС. Но превосходили их по таким показателям, как компактность, малый вес, низкая температура процесса. Главное, что автомобили с ВТЭ обеспечивают больший пробег на одной заправке, а на полную заправку им требуются всего минуты.

Попытки выйти на рынок автомобилей с ВТЭ делали и другие автопроизводители, но вынуждены были отказываться из-за отсутствия сети доставки водорода потребителям. Корпорация Toyota Motor Corp. в октябре 2019 года представила второе поколение Toyota Mirai уже 2021 модельного года, продажи которой, как намечалось, должны начаться во второй половине 2020 года. Но пандемия нарушила многие планы.

Тем не менее руководство корпорации Toyota Motor Corp. сохраняет свои стратегические планы и считает, что будущее за ВТЭ. Оно объявило, что в ее конструкторских подразделениях разработаны ВТЭ для широкого спектра транспортных средств и возможного использования их на железнодорожных дорогах – в локомотивах и отдельных вагонах, на различных судах и даже электроэнергетическими компаниями (ЭЭК) при сравнительно небольших мощностях. Новые сборки ТВЭ, естественно, более мощные, чем для автомобилей. Планируется четыре вида вертикальных и горизонтальных модулей. Каждый мощностью 60–80 кВт и весом 240–250 кг, по данным Mainichi Japan.

Корпорация стремится оставаться лидером и в разработке ВТЭ для массовых автомобилей. В марте 2021 года на пресс-конференции Акио Тоеда, президент Toyota Motor Corp., ссылаясь на почти 80-летний опыт корпорации, обещал, что «корпорация разработает водородный двигатель для массового производства», поскольку и японское правительство, и бизнес «нацелены добиться, чтобы к 2050 году выбросы СО2 в стране были нулевыми». Хотя, как комментирует газета Mainichi Japan, пока не ясно, когда корпорация сможет начать не просто серийное, но массовое производство водородных автомобилей.

Общая цель автоиндустрии Японии – расширение спроса на водород в стране на первом этапе в транспортной сфере. В перспективе рост использования водорода внутри страны позволит расширять экспорт оборудования и техники с ВТЭ, да и самих ВТЭ на внешний рынок, где спрос на такую технику растет, констатирует газета Yomiuri Shimbun.