Раньше мы верили, что будущее за автомобилями с батарейным питанием. Видение было чистым. Никаких выхлопных труб. Только тихие флоты из Tesla и Nissan, скользящих мимо стеклянных небоскребов, — научно-фантастическая мечта, воплощенная в жизнь такими ранними техно-пророками, как Брэдбери и Дик. Хайп был реальным. В 2008 году Барак Обама пообещал выпустить на дороги США один миллион электромобилей к 2015 году. Это казалось неизбежным. У нас уже было и «железо». Nissan Leaf. Tesla Model S. BMW ActiveE. Они уже были здесь. Они были блестящими.
Затем реальность ударила по лицу.
«Тревога запаса хода» больше не является маркетинговым термином. Это физический барьер. Большинство ранних электромобилей могли проехать всего 100–200 миль, прежде чем батарея разряжалась. И это всё. А как насчет зарядной инфраструктуры? Она была редкой. Вы не могли просто «заправиться». Вам приходилось искать розетки. Страх оказаться в безвыходном положении стал убийцей рынка. Продажи застыли. В 2012 году с автосалонов было реализовано всего 52 835 подключаемых гибридов и электромобилей. С декабря 2010 года и до этого периода общие продажи колебались вокруг отметки в 70 000 единиц. На фоне 15 миллионов традиционных автомобилей, продаваемых ежегодно? Это менее одного процента. Округленная ошибка.
Поэтому индустрия изменила курс. Не назад, а в сторону. Компании поняли, что нельзя просто ждать, пока батареи станут лучше. Они увидели в экономике, основанной на ископаемом топливе, не провал, а платформу. Audi возглавляет это движение. В частности, она делает ставку на e-gas.
В 2013 году Audi открыла первый в мире промышленный завод по производству синтетического углеродно-нейтрального топлива. Это не просто обычный бензин. Это e-gas, предназначенный для транспортных средств на сжатом природном газе (CNG). Их испытательный полигон? Audi A3 Sportback TCNG. Но более масштабная стратегия заключается в инфраструктуре. Этот завод создает шаблон. Он строит сеть, необходимую для подачи электроэнергии для электромобилей и водорода для автомобилей на топливных элементах, когда эти технологии действительно созреют. Это мост.
Скептики не впечатлены. Кристофер ДеМорро, пишущий для Gas 2, подверг проект критике. Его аргумент был прямым. Проблема не только в поддержании уровня выбросов, но и в их сокращении. Фокус на e-gas оставляет нас на углеродном стандарте. Нам следует отдавать приоритет транспортным средствам, которые потребляют меньше энергии в принципе. Эффективность важнее синтеза.
Но прежде чем отклонить этот проект как корпоративный гринвошинг, вам нужно понять механику процесса. Вам нужно посмотреть, как Audi определяет «углеродную нейтральность». Это не магия. Это химия. И это может быть единственной причиной того, что двигатель внутреннего сгорания переживет следующее десятилетие.
Audi не просто говорит о сокращении своего углеродного следа. Компания активно разрабатывает способ сделать двигатели внутреннего сгорания углеродно-нейтральными. Если термины «углеродный след» или «углеродные компенсации» вам незнакомы, представьте себе следующее: углеродный след рассчитывает все выбросы диоксида углерода (CO2) от человека или бизнеса. CO2 является основным источником проблемы, но точные измерения также учитывают метан и хлорфторуглероды. Эти показатели обычно выражаются в тоннах эквивалента CO2 в год.
Когда вы снижаете выбросы CO2 для конкретного вида деятельности, углеродный след уменьшается. Если сократить выбросы до уровня, равного углеродному следу, вы достигнете углеродной нейтральности. Компании достигают этого разными, порой непростыми путями. Одни строят ветряные электростанции вместо угольных. Другие высаживают деревья для секвестрации углерода. Audi финансирует проекты по сокращению выбросов парниковых газов. Все это считается углеродным компенсированием.
Транспортная сфера — самая сложная часть. Перевозка людей и грузов обычно означает сжигание ископаемого топлива. Производство автомобиля требует электроэнергии, часто получаемой от грязных электростанций. Добыча, переработка и доставка топлива требуют еще больше энергии. Затем автомобиль начинает движение. Двигатель внутреннего сгорания выбрасывает парниковые газы. Они накапливаются в атмосфере. Они образуют warming blanket (тепловую оболочку), нагревающую планету. Электрические и водородные автомобили могли бы решить эту проблему. Но они пока не являются жизнеспособными для всех и везде на протяжении многих лет.
Завод в Вертле и синтетический метан
Audi называет свой подход «сбалансированной мобильностью». Он определяется как целостная, углеродно-нейтральная мобильность на коротких, средних и дальних дистанциях. E-gas (электротопливо) является ключом к сохранению двигателя внутреннего сгорания в этой зеленой сценарии. Как добиться углеродной нейтральности с помощью устаревших технологий? Используя диоксид углерода в качестве сырья.
Установки по переработке биогаза из отходов поставляют CO2. Специально построенный завод в Вертле, Германия, занимается химическими процессами. Начиная с 2013 года, этот завод потребляет 2 800 метрических тонн CO2 ежегодно. Он производит 1 000 метрических тонн e-gas в год. В сочетании с другими экологичными практиками Audi достигает углеродной нейтральности во всей своей цепочке создания стоимости.
Химики называют e-gas метаном. Потребители знают его как природный газ. Он обогревает дома. Он питает автомобили на природном газе. Он синтетический. Он относительно чистый.
Основы e-fuel
Химия e-gas — это не магия. Это серия реакций. Водород, полученный путем электролиза воды, вступает в реакцию с диоксидом углерода. Они связываются. Образуется метан. Результатом является топливо, которое сгорает в существующих двигателях. Оно ведет себя как природный газ. Оно чистое на выхлопе, потому что CO2 изначально был взят из воздуха.
Если вы хотите перейти с обычного бензина, инфраструктура может быть проблематичной. В США Министерство энергетики предлагает «Поисковик станций альтернативного топлива». Введите свой почтовый индекс. Выберите тип топлива. Посмотрите, что доступно. Сеть пока редкая. Она растет. Но она существует.
Зачем придерживаться двигателей внутреннего сгорания, если существуют батареи? Тревога за дальность хода. Работа в холодную погоду. Существующая энергосеть. Огромное количество двигателей внутреннего сгорания, которые все еще находятся на дорогах. Audi не отказывается от двигателя. Она пытается сделать так, чтобы двигатель не влиял на углеродный баланс. Это мост. Долгий, химический мост.
Математика проста. 1 000 метрических тонн топлива. 2 800 метрических тонн CO2 на входе. Остальное — вода. Водород и кислород. Выделяются в качестве побочного продукта. Чисто. Просто. Или по крайней мере, настолько просто, насколько это возможно для химии промышленного масштаба.
Масштабируется ли это? Это вопрос. Один завод в Вертле — это доказательство концепции. Чертеж. Не глобальное решение. Пока нет. Но это доказывает, что концепция работает. Метан из воздуха. Углеродно-нейтральный. Готов для двигателей.
Остальное — это просто объем. И стоимость. И политика. И инфраструктура. И время.
Химия процесса производства
Давайте отбросим маркетинговый блеск. Э-газ — это просто синтетический метан. Это выращенный в лаборатории близнец настоящего газа. Вы знаете, что такое настоящий газ. Это бесцветный, беззапахный газ, получаемый из древних растительных остатков и водных осадков, захороненных глубоко в земной коре. На образование ископаемого метана уходят миллионы лет. Синтетический метан? Его можно произвести быстро.
Все начинается с электролиза.
Пропустите электрический ток через воду. Разорвите химические связи. Вы получите водород и кислород. Уравнение реакции простое:
2 H2O → 2 H2 + O2
Водород сам по себе выглядит многообещающим как топливо будущего. Сожмите его, храните в большом резервуаре, пропустите через топливный элемент вместе с кислородом, и вы получите электричество и воду в качестве побочных продуктов. Но здесь есть проблема. Строительство инфраструктуры для водорода с нуля обходится дорого. Мы пока не готовы к этому.
Поэтому Audi выбирает другой путь. Они берут этот водород и смешивают его с диоксидом углерода. Этот процесс называется метанированием.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
В результате получается CH4. Метан. Он ведет себя точно так же, как болотный газ, поднимающийся над болотом, или природный газ, добываемый на устье скважины. Та же воспламеняемость. Тот же отсутствие запаха. Тот же бесцветный вид.
Почему это важно для автолюбителя? Потому что не нужны новые трубы. Не нужна новая сеть распределения. Это синтетическое топливо может напрямую интегрироваться в существующую сеть природного газа. Оно поступает в дома и предприятия. Оно заправляется на станциях сжатого природного газа (СПГ ).
Автомобильная индустрия сосредоточена на последнем пункте. Станции СПГ обеспечивают топливом растущий парк автомобилей на природном газе, или АнГ. Это не волшебная палочка для борьбы с глобальным потеплением. Они не избавят нас от зависимости от ископаемого топлива в одночасье. Но они создают мостик. Они позволяют двигателям работать, пока инфраструктура догоняет.
В следующем разделе мы рассмотрим, как Audi фактически заправляет этим топливом автомобили.
Реальность низкоуглеродных автомобилей на природном газе
Идея заправлять Audi A3 синтетическим метаном кажется скачком в будущее, но на самом деле она укоренена в инженерных решениях начала XX века. Как только в начале 1930-х годов появились надежные линии магистральной транспортировки природного газа, водители захотели использовать это топливо. Механика процесса проста. Четырехтактные двигатели смешивают топливо с воздухом, поджигают его свечой зажигания и приводят поршни в движение вверх-вниз. Та же физика применима как к бензину, так и к природному газу. Если бы в США и на Ближнем Востоке не были обнаружены такие огромные и дешевые запасы нефти, автомобили на природном газе (NGV) могли бы доминировать на дорогах.
Но этого не произошло. Сегодня автомобили на природном газе — это нишевый продукт. По состоянию на конец 2011 года на дорогах Америки находилось всего около 120 000 таких автомобилей. В мире их число было выше — более 15 миллионов, но распределение было неравномерным. Пять стран: Иран, Пакистан, Аргентина, Бразилия и Индия, контролировали почти 70 процентов рынка. Почему именно там? Эти страны не обладают достаточной перерабатывающей мощностью для сырой нефти. Они используют то, что у них есть. В следующем десятилетии, вероятно, последуют и другие страны, особенно если цены на бензин продолжат расти. Природный газ дешевле. Оценки показывают экономию топлива около 30 процентов по сравнению с бензином.
Более чистое сгорание
Цена — не единственный плюс. Выбросы ниже. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) классифицирует автомобили на природном газе как самые чистые среди доступных двигателей внутреннего сгорания. Эту честь получил вариант Honda Civic на природном газе. Статистика впечатляет. Уровень оксида углерода снижается на 70–90 процентов. Оксиды азота падают на 75–95 процентов. Даже углекислый газ, основной парниковый газ, сокращается на 20–30 процентов. Результатом является улучшение качества воздуха и более медленное продвижение к глобальному потеплению.
Это не идеальное решение. Покупка автомобиля на природном газе обходится дороже на старте. Заправка вызывает трудности, сопоставимые с проблемами инфраструктуры зарядки электромобилей. По состоянию на декабрь 2011 года в США было всего около 1000 АЗС для автомобилей на природном газе. Половина из них была частной. Общественный доступ был ограничен. Вы можете установить домашнюю систему заправки, но это добавляет к и без того высокой стоимости. И хотя они сокращают выбросы CO2, они не устраняют эффект потепления полностью.
Синтетический цикл Audi
Рассматривайте автомобили на природном газе как мост. Переходную технологию. Это меняется, если вы можете заправлять их синтетическим метаном, полученным из углекислого газа. Audi планирует сделать именно это на своем заводе в Верльте. Процесс расщепляет воду на водород и кислород посредством электролиза. Затем водород соединяют с углекислым газом, захваченным на биогазовой установке. Но для электролиза требуется энергия. Не переносит ли это загрязнение в другое место? Да. Это последний элемент проекта Audi e-gas. Откуда берется электричество? Из возобновляемых источников.
Двойная гибкость
Автомобильным производителям, продвигающим синтетический метан, нужен автомобиль, который сможет его использовать. Для Audi это Audi A3 Sportback TCNG. Они не создали «чистый» автомобиль на природном газе. A3 TCNG оснащен баками как для природного газа, так и для бензина. Двигатель бесшовно переключается между ними. Осталось мало СПГ? Нет заправки на горизонте? Используйте бензин. Это компромисс, но цель — как можно больше ездить на природном газе. Audi прогнозирует, что 1 500 модифицированных моделей A3 TCNG смогут проезжать 9 320 миль (15 000 километров) в год на возобновляемом e-gas. Продажи планировалось начать в 2013 году.
Энергоснабжение сети с помощью ветра и отходов
Завод в Верлте — это гибридное сооружение. Это первая в мире установка, сочетающая электролиз водорода с метанированием. Вы получаете водород из воды и смешиваете его с диоксидом углерода. В результате получается синтетический метан. Но главная история кроется не в химии. Она — в источнике энергии.
Энергия начинается с ветра. Сильные, постоянные бризы с Северного моря. Audi установила там три крупномасштабных офшорных ветропарка. Четыре турбины. Каждая вырабатывает 3,6 мегаватта. Годовой объем производства? Пятьдесят три гигаватт-часа. Это огромное количество электронов. И у Audi есть три четких плана их использования.
Во-первых, прямая подача. Компания заявляет, что может использовать ветровую энергию для производства 1 000 автомобилей Audi A1 e-tron. Эти автомобили будут проезжать 6 210 миль (10 000 километров) ежегодно. Чисто электрические. Без выхлопных газов.
Во-вторых, сам завод в Верлте. Около 20 гигаватт-часов этой ветровой энергии будет направлено наfacility. Здесь электричество расщепляет воду на кислород и водород. В краткосрочной перспективе этот водород не пойдет в топливные элементы. Он является основным ингредиентом для e-газа. Синтетического метана. Он поступает в сеть природного газа. И попадает в автомобили на природном газе (NGV).
В-третьих, хранение. Ветряные электростанции нестабильны. Иногда они вырабатывают больше энергии, чем может принять сеть. Эта избыточная энергия обычно теряется. E-газ меняет это правило. Вы можете закачать его в инфраструктуру природного газа Германии. Хранить его. Извлекать позже, когда потребуется выработка энергии. Немецкая сеть огромна. Она может вместить эквивалент 200 тераватт-часов электроэнергии. Достаточно, чтобы поддерживать освещение в течение месяцев.
Сотрудничество и эффективность
Audi не изобрела этот цикл с нуля. Процесс пришел из Центра исследований солнечной энергии и водорода Баден-Вюртемберга. Они работали с Институтом Фраунгофера по ветроэнергетике и технологиям энергосистем. В процесс также вовлечена компания Solar Fuel Technology. Их объект расположен прямо рядом с Верлтом.
Здесь проявляется эффективность. Электролиз и метанирование выделяют отработанное тепло. Завод Audi улавливает это тепло. Solar Fuel Technology использует его. Эта межзаводская синергия значительно повышает общую эффективность. Она превращает недостаток в преимущество.
График и дальнейшие перспективы
Завод в Верлте достиг этапа установки последней балки в декабре 2012 года. Производство планировалось начать в 2013 году. Сроки совпали с выходом новой модели Audi A3 Sportback TCNG. Эти автомобили поступили в дилерские центры в конце 2013 года.
Дорожная карта на этом не остановилась. Вторая модель TCNG, основанная на шасси A4, планировалась к выпуску в 2015 году. Цель была простой: больше автомобилей на природном газе на дорогах.
Audi была не единственным игроком. Chrysler и General Motors уже выпустили версии своих грузовиков тяжелого класса на природном газе. Honda продвигала свою модель Civic на природном газе. Посыл был последовательным. Экономьте деньги. Снижайте выбросы. Возможно, спасите и планету.
Инфраструктура меняется. Топливо меняется. Но двигатели? Им все еще нужно сжигать что-то. Будь то электроны, водород или синтетический метан, колесо продолжает вращаться.
