Многим сообществам было бы лучше инвестировать в электромобили, работающие на батареях, а не на водородных топливных элементах, отчасти потому, что водородная инфраструктура обеспечивает мало дополнительных энергетических преимуществ для сообщества, помимо экологически чистого транспорта.
Об этом говорится в исследовании ученых из Стэнфордского университета и Мюнхенского технического университета (TUM), опубликованном в ноябрьском номере журнала Energy. Они сравнили автомобили, работающие от аккумуляторов, с водородными топливными элементами в гипотетическом будущем, когда стоимость электромобилей будет более доступной.
«Мы рассмотрели, как широкомасштабное внедрение электромобилей повлияет на общее потребление энергии в сообществе, в зданиях и на транспорте», - сказал ведущий автор Маркус Фельгенхауэр, докторант ТУМ и бывший приглашенный ученый в ТУМ. Стэнфордский глобальный климатический и энергетический проект (GCEP). «Мы обнаружили, что инвестиции в полностью электрические аккумуляторные автомобили являются более экономичным выбором для сокращения выбросов углекислого газа, в первую очередь из-за их более низкой стоимости и значительно более высокой энергоэффективности».
«Исследования, подобные этим, необходимы для определения самых дешевых и наиболее эффективных путей глубокой декарбонизации глобальной энергетической системы», - добавила соавтор исследования Салли Бенсон, профессор инженерии энергетических ресурсов в Стэнфорде и директор GCEP.
Батарейки и топливные элементы
Электромобили бывают двух видов: электромобили с аккумуляторными батареями и автомобили на топливных элементах, преобразующие газообразный водород в чистое электричество.
В отличие от автомобилей с бензиновым двигателем, автомобили с аккумуляторными батареями и топливными элементами не выделяют углерода при движении. Но для их масштабного развертывания потребуется новая дорогостоящая инфраструктура для зарядки аккумуляторов или доставки водородного топлива.
Ключевой вопрос для политиков заключается в том, какие транспортные технологии сокращают общие выбросы с наименьшими затратами - аккумуляторы или топливные элементы? Помимо транспорта, могут ли водородные технологии также обеспечивать чистую энергию для отопления и освещения зданий, как предполагают некоторые исследования?
Новое исследование является первым, в котором рассматриваются оба вопроса.
Исследователи сосредоточились на Калифорнии, лидере в области электромобилей. По всему штату популярность аккумуляторных электромобилей растет. Но только несколько производителей начали предлагать автомобили на топливных элементах. Чтобы стимулировать более широкое внедрение, к 2017 году штат выделил более 92 миллионов долларов на сеть из 50 водородных заправочных станций.
В настоящее время ни один из источников энергии не является полностью свободным от выбросов. Некоторые люди заряжают свои аккумуляторные электромобили, подключаясь к электросети, которая поставляет электроэнергию, вырабатываемую в основном из выделяющих углерод ископаемых видов топлива.
Аналогичным образом, большая часть водородного топлива производится из природного газа в результате промышленного процесса, при котором в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Альтернативное устройство, называемое электролизером, использует солнечную электроэнергию для расщепления воды на чистый водород и кислород, но этот метод очень энергоемкий и дорогой.
Будущие сценарии
В ходе исследования исследователи создали сценарии будущего для города Лос-Альтос-Хиллз, солнечного, богатого сообщества с населением около 8000 человек, расположенного в округе Санта-Клара всего в нескольких милях от кампуса Стэнфорда.
«Лос-Альтос-Хиллз отличается необычно высокой мощностью солнечной генерации в округе с самой высокой долей электромобилей в штате», - сказал Фельгенгауэр.
Сценарии сосредоточены на 10-20 годах в будущем, когда ожидается, что автомобили с батареями и топливными элементами будут использоваться гораздо шире, а солнечная энергия и электролизеры будут конкурентоспособны по стоимости с электросетью.
В одном из сценариев на 2035 год предполагалось, что электромобили составят 38 процентов автопарка города. Также предполагалось, что автомобили на топливных элементах будут питаться от местного водорода, полученного из самой дешевой доступной электроэнергии, будь то солнечная энергия или полученная из сети.
Данные о Лос-Альтос-Хиллз были переданы в вычислительную модель, разработанную соавтором исследования Томасом Хамахером, профессором электротехники и вычислительной техники в ТУМ.
«Мы предоставили данные о количестве энергии, необходимой Лос-Альтос-Хиллз в течение дня, а также финансовые данные о стоимости строительства новой энергетической инфраструктуры», - сказал соавтор исследования Мэтью Пеллоу, бывший докторант GCEP, ныне работающий в Научно-исследовательский институт электроэнергетики. «Мы включили стоимость изготовления солнечных панелей, электролизеров, аккумуляторов и всего остального. Затем мы сказали модели, учитывая наш сценарий на 2035 год, чтобы она подсказывала нам наиболее экономичный способ удовлетворить общую потребность общества в энергии."
Чтобы сравнить затраты каждого сценария с его климатическими преимуществами, исследователи также рассчитали выбросы углекислого газа, возникающие в каждом случае.
Исследователи также оценили потенциальные преимущества использования водородной инфраструктуры для хранения чистой энергии для использования по требованию. В светлое время суток электролизеры могут производить водород из избыточной солнечной энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую. Этот водород можно хранить и преобразовывать в возобновляемую электроэнергию или использовать в качестве чистой альтернативы природному газу для обогрева и освещения зданий.
Результаты
Результаты были окончательными.
«Что касается общих затрат, мы обнаружили, что электромобили с аккумуляторными батареями лучше, чем автомобили на топливных элементах, для снижения выбросов», - сказал Фельгенгауэр. «Анализ показал, что для того, чтобы быть конкурентоспособными по стоимости, автомобили на топливных элементах должны быть намного дешевле, чем автомобили на аккумуляторных батареях. Однако в обозримом будущем автомобили на топливных элементах, вероятно, будут значительно дороже, чем автомобили на аккумуляторных батареях. Другое предполагаемое преимущество водорода - хранение избыточной солнечной энергии - также не подтвердилось в нашем анализе. Мы обнаружили, что в 2035 году лишь небольшое количество солнечного водорода будет использоваться для отопления и освещения зданий».
Хотя исследование было сосредоточено на одном городе в районе залива, по словам авторов, результаты актуальны для многих спальных районов Калифорнии с достаточным количеством солнечного света. Они надеются проанализировать более крупные сети сообществ в будущих исследованиях и изучить другие факторы, которые могут повлиять на выбор потребителей при принятии решения о покупке автомобиля на аккумуляторе или на топливном элементе.
«Наша цель - обеспечить объективный, основанный на данных анализ, чтобы помочь информировать политиков в Калифорнии и других местах о том, какой технологический путь, вероятно, будет более рентабельным в борьбе с изменением климата», - сказал Пеллоу..