Приговор водородному двигателю?

Похоже, что разработкам водородных двигателей в мире пришел конец. Airbus, который много лет занимался разработкой водородной технологии для двигателей своих будущих самолетов в рамках программы H2, сообщил о прекращении работ. Причина проста: зарубежные авиационные ученые и исследователи вынесли приговор двигателю на водороде: не полетит!

Тем временем всего два месяца назад в российских СМИ были опубликованы сообщения, что «В РФ приступили к созданию «зеленого» двигателя на водороде«. В нужном ли направлении проложен вектор исследований в нашей стране, на реализацию которого могут уйти значительные финансовые вложения?

Для осмысливания ситуации мы предлагаем только что вышедшую статью М. Барнарда о перспективах разработки водородных двигателей.

Майкл Барнард — автор множества статей, а также нескольких технических книг. Он — ливрейный член Stationers Company, член нескольких профессиональных ассоциаций и бывший председатель исследовательской ассоциации Pira International.

Барнард читает лекции и является приглашенным профессором в Университете искусств в Лондоне.

Надежды на роль водорода в авиации возникли еще в середине XX века, когда исследователи начали изучать его потенциал в качестве альтернативы традиционному реактивному топливу. В 1957 году инженеры компаний Lockheed и Boeing исследовали водородную силовую установку в рамках усилий времен холодной войны по созданию высотных самолетов большой продолжительности полета. В 1959 году модифицированный самолет Martin B-57 Canberra успешно совершил полет с одним двигателем, работающим на жидком водороде. В конце 1980-х годов Советский Союз совершил полет на Ту-155, модифицированном лайнере Ту-154, который стал первым реактивным самолетом, летавшим исключительно на жидком водороде.

После холодной войны интерес к водородной авиации угас, поскольку реактивное топливо оставалось недорогим и доминирующим. Однако в 2000-х годах растущая обеспокоенность по поводу изменения климата и выбросов углекислого газа возобновила исследования в области водородных силовых установок. В 2008 году компания Boeing сообщила о первом успешном полете небольшого самолета, работающего исключительно на водородных топливных элементах. В 2010-х годах европейские лидеры аэрокосмической отрасли, включая Airbus, начали серьезно изучать водород в качестве долгосрочного решения, кульминацией чего стало представление в 2020 году концепции ZEROe от Airbus — трех проектов самолетов с водородным двигателем, которые будут использоваться в коммерческих целях к 2035 году. Тем временем такие стартапы, как ZeroAvia и Universal Hydrogen, пытались разработать модификации для региональных самолетов. Компания Wright Electric рассматривала водород в качестве одного из возможных источников энергии, наряду с таким же тупиковым вариантом, как алюминиево-воздушных аккумуляторы.

К 2017 году я уже оценил большинство видов транспорта и исключил водород из числа возможных вариантов. В то время я не углублялся в железнодорожный транспорт, морские перевозки и авиацию, поэтому считал, что водород может играть определенную роль в этих видах транспорта. Впоследствии я проделал работу по каждому из них, а также более глубокую работу по присущим водороду затратам и проблемам и пришел к выводу, что водород не играет никакой роли.

Как я недавно сказал в разговоре с одним из участников и инвесторов ZeroAvia, в 2017 году я не оценивал проблемы сертификации, проблемы хранения, проблемы планера, проблемы балансировки самолета во время полета, проблемы стоимости и проблемы инфраструктуры аэропорта. Теперь же я это сделал.

Пару лет назад я обобщил ключевые моменты в статье, после того как меня попросили принять участие в британской академической дискуссии на эту тему с участниками, которые работали в данной области десятилетиями и были слишком увлечены, чтобы принять реальность.

Одна из самых больших проблем — низкая плотность энергии по объему. Хотя водород обладает высокой энергией на килограмм, он занимает гораздо больше места, чем авиационное топливо, требуя гораздо более крупных и тяжелых баков. Этот дополнительный объем увеличивает сопротивление и снижает эффективность самолета, ограничивая дальность полета и пассажировместимость.

Еще одно серьезное препятствие — криогенное хранение. Жидкий водород должен храниться при температуре -253°C, что требует использования высокоизолированных резервуаров, которые увеличивают вес и усложняют конструкцию. В отличие от реактивного топлива, которое можно хранить в крыльях самолета, водород требует отдельных, сильно укрепленных баков, что усложняет конструкцию самолета.

Отсутствие инфраструктуры еще больше осложняет жизнеспособность водорода. Аэропорты по всему миру построены на реактивном топливе, а переход на водород потребует огромных инвестиций в производство, хранение и заправочные системы. Стоимость и логистические проблемы такого перехода делают маловероятным широкомасштабное внедрение в ближайшем будущем.

Безопасность также вызывает озабоченность. Водород очень огнеопасен, и хотя современные системы локализации снижают риски, авиационной промышленности придется разработать новые протоколы безопасности. Дополнительные меры предосторожности, необходимые для обращения с водородом и его хранения, усложняют и удорожают реализацию проекта.

И наконец, экономические показатели не сходятся. Разработка новых конструкций самолетов, реконструкция инфраструктуры аэропортов и обеспечение соответствия требованиям безопасности потребуют огромных затрат. С появлением более практичных альтернатив, таких как экологически чистое авиационное топливо и самолеты на аккумуляторах, водород не может конкурировать.

Что будет работать? Для начала, рост спроса будет ниже, чем официальные прогнозы IATA и Boeing, которые говорили всем, что рост спроса на авиационные услуги будет идти по кривой с 1990 по 2019 год, с совокупным годовым ростом от 3 до 4%.

Мой прогноз, слегка обновленный в середине 2024 года, гораздо менее радужен в отношении роста и предполагает, что энергию, необходимую для всей авиации, будут обеспечивать аккумуляторные батареи, гибридные электромобили и биотопливо SAF. Аккумуляторные и гибридные электрические самолеты будут доминировать в большинстве внутриконтинентальных рейсов, причем турбовинтовые самолеты, рассчитанные на 100 пассажиров, будут совершать полеты на расстояние до 1 000 км. В большинстве случаев гибридный генератор на биотопливе потребуется только при следовании на запасной аэродром и в качестве резервирования. Пересечение океанов по-прежнему потребует использования биотоплива SAF, но даже там гибридизация станет нормой, а такие вещи, как вспомогательная силовая установка, уже сегодня переходят на аккумуляторную энергию. Именно в этот контекст попадают последние новости из авиационной отрасли.

Производитель	Ключевые предложения	Применение	Корпоративный статус	Риск
Airbus	Коммерческие водородные воздушные суда	Турбовинтовые, турбовентиляторные и дизайн «летающее крыло»; нулевой уровень выбросов к 2035 году	В работе	Приостановлены работы по Н2
Alaka’i Technologies	Воздушные суда вертикального взлета и посадки для городской воздушной мобильности	Воздушные суда вертикального взлета и посадки на короткие расстояния с водородным двигателем для экологически чистого транспорта	Предварительное производство	Высокий
Beyond Aero	Бизнес-джеты	Реактивный пассажирский самолет на 8 кресел с дальностью полета 1500 км	Предварительное производство	Высокий
Boeing	НИР	Гражданская авиация	НИР	Низкий
COMAC	Два небольших демонстрационных воздушных судна	Оценка	НИР	Низкий
Destinus	Гиперзвуковое водородное воздушное судно	Гиперзвуковые скорости (до М 1,3; дозвуковые испытания в 2024 г.)	Предварительное производство	Высокий
Embraer	Проекты Energia и GKN Aerospace	Концепции самолетов	НИР	Низкий
Evia Aero	Водородное воздушное судно	Авиация	Предварительное производство	Высокий
Stralis Aircraft	Модернизированные и новые самолеты	Водородно-электрические системы для малых и региональных воздушных судов	Предварительное производство	Высокий
Universal Hydrogen	Поезд на водородной тяге	Пассажирская авиация	Банкротство	Прекращение деятельности
Wright Electric	Поезд на водородной тяге	Модернизация мелких воздушных судов	В работе	Приостановлены работы по Н2
ZeroAvia	Поезда на водородно-электрической тяге	Успешный испытательный полет 19-местного Dornier-200 с двигателем ZA600	Предварительное производство	Высокий

Один из моих прогнозов на 2025 год — кровавая баня в сегменте водородного топлива для транспорта. В конце года мне предстоит выяснить, прав я или нет, поэтому я составил список фирм, работающих в этом сегменте, которых на данный момент насчитывается 115. В таблице выше представлен авиационный сегмент, в котором представлены двенадцать фирм. Наверняка я пропустил парочку, поэтому, пожалуйста, укажите мне на них, чтобы я мог добавить их в список. Высокий рейтинг риска означает, что они, скорее всего, прекратят свое существование в ближайшие год-два. Низкий рейтинг — в авиации нет ничего промежуточного — означает, что, хотя они и потеряют деньги, они не подвергают риску всю фирму из-за своих усилий. Для полноты картины средний риск означает, что они потеряют столько денег, что могут полностью выйти из бизнеса.

Первой «водородное пространство» покинула компания Wright Electric. Несколько лет назад она выпустила технический документ с вариантами энергоснабжения авиации, а к 2021 году поняла, что батареи и гибридное биотопливо сделают свое дело, и отказалась от водорода. В выигрыше — прямой технико-экономический анализ, потому что компания не стала тратить много времени и денег на водород.

Стартап Universal Hydrogen, основанный в 2020 году бывшим техническим директором Airbus Полом Еременко, ставил своей целью декарбонизацию авиации путем дооснащения региональных самолетов силовыми установками на водородных топливных элементах и разработки модульной системы распределения водорода. В марте 2023 года компания совершила успешный полет на модифицированном Dash 8, работающем на водороде. Universal Hydrogen прекратила свою деятельность в июне 2024 года из-за финансовых проблем. Водородные капсулы были одной из худших идей, о которых я слышал в последнее время, поэтому неудивительно, что они были сняты с производства раньше времени.

Среди крупнейших компаний Airbus, Boeing, Embraer и COMAC — крупнейшей китайской компании гражданской авиации — усилия были сравнительно небольшими, хотя Airbus, по крайней мере, усиленно продвигал их, а три его концептуальных самолета были, пожалуй, самой громкой инициативой. Теперь Airbus «приостановил» все усилия по созданию водородных самолетов, наконец-то осознав после траты большого количества времени инженеров то, что было очевидно из простого анализа. Многие наблюдатели склонны предполагать, что производители просто несерьезно относятся к декарбонизации, и это может быть правдой.

Новость о выходе Airbus из водородной игры появилась через несколько дней после обнародования новой дорожной карты Destination 2050. Дорожная карта была поддержана пятью крупнейшими европейскими авиационными ассоциациями, представляющими тысячи компаний в этом секторе. Ассоциация Airlines for Europe (A4E) представляет более 3600 самолетов и почти 2100 пунктов назначения. Международный совет аэропортов Европы (ACI Europe) охватывает 600 с лишним аэропортов, обслуживающих 90 % воздушного движения в Европе. Европейская ассоциация аэрокосмической, охранной и оборонной промышленности (ASD) представляет более 4 000 компаний, на долю которых приходится 98% оборота отрасли. Организация гражданского аэронавигационного обслуживания (CANSO) поддерживает более 90% мирового воздушного движения через поставщиков аэронавигационных услуг и поставщиков отрасли. Наконец, Ассоциация авиакомпаний европейских регионов (ERA) включает в себя 50 с лишним авиакомпаний и около 150 компаний, занимающихся региональными авиаперевозками. По сути, это все, кто имеет отношение к авиации в Европе, и многие из них являются глобальными.

В дорожной карте намечен путь европейской авиации к достижению нулевого уровня выбросов к 2050 году. Первоначально предполагалось, что самолеты, работающие на водороде, будут способствовать сокращению выбросов на 20 %, но в результате недавнего пересмотра этот показатель снизился до 6 %, ссылаясь на задержки в технологической готовности и внедрении. В результате план теперь в большей степени опирается на устойчивые виды авиационного топлива (SAF), эксплуатационную эффективность и рыночные меры по декарбонизации, а в стратегии сокращения выбросов учитываются среднегодовые темпы роста пассажиропотока в 1,4 % — намного ниже прогнозируемых IATA и Boeing 3 — 4 %. Несомненно, IATA и Boeing надеются на огромный рост в развивающихся странах, чтобы компенсировать ограниченный рост в Европе, но поскольку декарбонизация приведет к росту цен на билеты, а высокоскоростные железные дороги и количество виртуальных конференций продолжат расти, я подозреваю, что они окажутся неправы.
Я легко могу предсказать, что с учетом того, что крупнейший авиастроительный концерн Airbus отказался от участия в проекте, а остальные три производителя проводят очень ограниченные демонстрации и НИОКР, в ближайшие годы этот показатель снизится до 0%. Остальные мейджоры прекратят свои ограниченные усилия, а стартапы просто обанкротятся, причем большинство уже в этом году. На самом деле это хорошо, поскольку водород остается мощным, пусть и косвенным, парниковым газом, в 12-37 раз превосходящим углекислый газ в течение 100 и 20 лет соответственно, а утечка водорода составляет 1%+ в каждой точке цепочки поставок.

Кровавая баня в водородной отрасли авиации, как и кровавая баня в области электрических вертикальных взлетов и посадок (eVTOL), складывается удачно. Реальные усилия по декарбонизации, такие как аккумуляторные гибриды и биотопливо SAF, теперь могут получить больше внимания.

Иллюстрации: АЕI, Innovation News Network