Чи є Honda FCX майбутнім екологічного водіння або просто дорогим експериментом?
Поки що ви не можете купити автомобіль на водні. Однак, якщо ви мешкаєте в Каліфорнії, ви можете взяти його в оренду. Він не споживає бензину. Він не забруднює повітря. Вихлоп складається лише з пари. Таємне паливо – це водень. Це найпростіший і найпоширеніший елемент у Всесвіті. Деякі експерти вважають, що через 20–30 років усі ми їздитимемо на цих економічних транспортних засобах.
Ідея не нова. Технології використання водню для вироблення енергії сягають першої половини ХІХ століття. Це старше за сам автомобіль. Новою є поява на дорогах автомобілів, що працюють на водні. З вихлопної труби замість смердючих газів йде пара. Сьогодні є кілька автомобілів на водні. Більшість із них — концепт-кари. До цих екологічно чистих транспортних засобів належать Chevrolet Equinox. BMW 745h – ще один приклад. Honda FCX – це модель, яка в даний час доступна для оренди в Каліфорнії.
Можливість створення автомобіля на водні забезпечує паливний елемент. Він перетворює водень на електрику. Єдиними побічними продуктами є тепло та вода. Оскільки водень не забруднює довкілля, він видається ідеальним паливом для XXI століття. Багато людей в уряді та автомобільної промисловості надихнуті його потенціалом. Автомобілі на водні мають потенціал високої паливної ефективності. Вони дають надію на екологічно чисте, зелене водіння.
«Якщо ви не живете в дуже певних частинах країни і не маєте кишені, набиті грошима, не чекайте на появу автомобіля на водні у своєму гаражі протягом наступного десятиліття».
Є ще багато проблем, які потрібно вирішити. Необхідно відповісти на низку питань, перш ніж водень стане основним видом палива. Він повинен суттєво вплинути на наше використання викопного палива. Наприклад, звідки ми отримуватимемо водень? Наскільки дорогими будуть ці економічні автомобілі під час купівлі? Чи зможете ви знайти водозаправну станцію, щоб заправити свій бак? І, можливо, найважливіше: як паливо, чи водень так само не забруднює довкілля, як здається?
Ми розглянемо ці питання на наступних сторінках. Але прямо зараз ми можемо дати вам одну швидку відповідь. Якщо ви не живете в певних частинах країни і не маєте кишені, набиті грошима, не чекайте появи автомобіля на водні у своєму гаражі протягом наступного десятиліття.
Водневі паливні елементи
Сер Вільям Роберт Гроув не просто винайшов пристрій. Він перевернув фізику. У 1839 році валлійський учений взяв процес електролізу – використання електрики для розщеплення води на водень та кисень – і перевернув його з ніг на голову. Він отримав електрику та воду з водню. Він назвав це “газовим вольтовим елементом”. Ми називаємо це водневим паливним елементом.
Десятиліття потому Френсіс Бекон удосконалив технологію. Саме цей винахід став серцем сучасних водневих автомобілів.
Від космічних капсул до міських вулиць
На початку 1960-х років компанія General Electric створила першу практичну систему. Вона мала орбітальні космічні капсули. До 1990-х років паливні елементи вже рухали міські автобуси. Можливість їх застосування була не припущенням. Вона була підтверджена.
Уявіть паливний елемент як батарею з комплексом переваги. Батарея зберігає своє паливо усередині. Паливному елементу потрібне заправлення. Його паливо – водень. Це найпростіший елемент. Один електрон. Один протон.
Елемент виробляє енергію, відокремлюючи електрони від протонів. Ці електрони течуть як чистого електричного струму. Іонізовані атоми водню зустрічаються з киснем. Вони утворюють воду. Іншим побічним продуктом є тепло. Ця вода зазвичай виходить у вигляді пари.
Нульові викиди із вихлопної труби. Ви їдете – ви видихаєте пару.
Механіка PEM
У автомобілях використовується певний тип елемента. Паливний елемент із полімерною мембраною. Він легкий. Він компактний.
Він має два електроди. Анод із негативним зарядом. Катод із позитивним зарядом. Каталізатор. І мембрана.
Водень надходить як молекул H2. Два атоми водню, з’єднані разом. Каталізатор на аноді розриває зв’язок. Ви отримуєте іони водню (протони) та електрони. Іони проходять через мембрану. Електрони не можуть. Вони змушені йти в обхід.
Цей обхід є джерелом енергії. Ви використовуєте цей потік для роботи.
Кисень надходить на катод. Протони та електрони возз’єднуються там. Вони поєднуються з киснем. Утворюється вода. Більшість її стає вихлопом.
Плоскі елементи. Тонкі. Вони укладаються в стопку. Більше елементів у стосі означає вищу напругу. Проста математика.
Ініціатива «Вільне паливо»
Багато хто вважав, що енергоефективні автомобілі, такі як автомобілі на водневих паливних елементах, є відповіддю на енергетичні потреби 21 століття. 2003 року президент Джордж Уокер Буш висловив цю віру. Він оголосив про Ініціативу «Вільне паливо» з бюджетом 1,2 мільярда доларів.
Яка мета? Підтримка розроблення паливних елементів.
Існує дві основні переваги перед викопним паливом. По-перше, нафта не виснажується. Ми зберігаємо наявні запаси. Ми знижуємо залежність від іноземної нафти.
По-друге, забруднення падає до нуля. Єдиними побічними продуктами є тепло та вода. Викиди вуглецю від автомобілів пов’язані із глобальним потеплінням. Паливні елементи не додають до списку.
На наступній сторінці ми розглянемо виробництво. Як будуються ці автомобілі? І, що важливіше, звідки береться водень.
Виробництво автомобілів на водні – це не ракетобудування. Воно мало чим відрізняється від складання звичайного автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння. Звичайно, серйозні зміни торкаються трансмісії та електричної архітектури. Стек паливних елементів виробляє електрику, а чи не спалює паливо. Це означає, що силова установка має більше спільного з акумуляторним електромобілем, ніж із традиційним седаном.
Справжнім вузьким місцем є не складальні лінії, а паливо.
Водень – найпоширеніший елемент у Всесвіті. Він становить близько 90% всіх атомів. Можна було б подумати, що його витяг тривіальний. Але це негаразд. Водень є також найлегшим елементом. Будь-який вільний водень на поверхні Землі не залишається на місці: він випаровується в космос. Те, що залишається на планеті, пов’язане у з’єднаннях. Найчастіше це молекули води (H2O). Вода вкриває поверхню нашої планети. І її дуже багато.
Отже, як ми поділяємо молекули H2O? Чи варто шукати джерело в іншому місці?
Метод електролізу
Найпростіший шлях було відкрито понад 150 років тому сером Вільямом Гроувом. Електроліз. Пропускаючи електричний струм через воду, молекули H2O розщеплюються. Цей процес є зворотним копією роботи паливного елемента. Він використовує анод та катод, зазвичай виготовлені з інертних металів.
Коли струм впливає на воду:
– Водень збирається на катоді.
– Кисень збирається на аноді.
Процес повільний. Але він масштабований. Його можна здійснювати у промислових масштабах. Він чистий, якщо електрика також одержана з чистих джерел.
Короткий шлях через природний газ
Є й інший спосіб. природний газ. Він складається з вуглеводнів. Парова конверсія витягує водень із цього газу, залишаючи вуглець позаду. Нині це домінуючий метод виробництва водню у промислових масштабах. Ймовірно, саме цей метод буде першим використаним для заправки першої хвилі автомобілів на паливних елементах.
Але тут є каверза. Парова конверсія заснована на викопному паливі. Якщо мета полягає у припиненні спалювання викопного палива, використання природного газу для виробництва водню є іронічним. Це, мабуть, найгірше можливе джерело для «зеленого» палива.
Заводи розміром з гараж та автомобілі, що працюють на воді
Деякі експерти мріють про мініатюрні водневі установки. Таких, які розмістяться у вашому гаражі. Вам не потрібно буде відвідувати заправну станцію. Ви просто заправлятиметеся вдома.
Найбільш радикальна версія цієї ідеї передбачає проведення електролізу безпосередньо в автомобілі. Автомобіль працює на воді. Це звучить як наукова фантастика. Але для цього потрібна енергія. Електрика для електролізу має звідкись надходити. З батареї. Таким чином, автомобіль, що працює на воді, все ще потребує періодичної підзарядки. Це не вічний двигун. Це просто переміщення джерела енергії із заправного насоса на настінну розетку.
Дорога попереду
Чи стануть ці екологічно чисті автомобілі майбутнім? Багато хто сподівається, що так. Але шлях до світу, що працює на водні, усіяний потенційними перешкодами. Вартість виробництва. Прогалини в інфраструктурі. Втрати ефективності.
Ми розглянемо ці проблеми у наступному розділі.
Недоліки автомобілів на водні
Ви ще чуєте цей хайп. Водневі паливні елементи часто зображують як “святий Грааль” екологічного транспорту. Це звучить суто. Це звучить ефективно. Це звучить як майбутнє. Але реальність набагато складніша. До того, як ці автомобілі вийдуть на домінуючі позиції на дорогах, нам ще далеко – на десятиліття. Перешкоди мають як технічний характер. Вони економічні, логістичні і, чесно кажучи, трохи бентежать для прихильників цієї технології.
Ми можемо поділити ці невдачі на три категорії. Перша – гроші. Багато грошей. Друга – фізика зберігання газу, який відмовляється залишатися в одному місці. І третя — неприємна правда, звідки насправді береться цей водень.
Кошмар з інфраструктурою та цінова мітка
Поговоримо про долари. Якби ви купили водневий автомобіль сьогодні, вам було б нікуди заправляти його.
Інфраструктура для заправки практично відсутня. Каліфорнія – виняток. Губернатор Арнольд Шварценеггер активно просував цей напрямок свого часу, тому там можна знайти заправки. В решті регіонів? Спробуйте знайти заправну колонку. Це все одно що шукати голку в копиці сіна.
Створення такої мережі коштує недешево. Песимістичні оцінки оцінюють вартість національної інфраструктури у 500 мільярдів доларів. І це не проект у вихідні. На те, щоб зробити все правильно, може піти чотири десятиліття.
Потім є автомобіль.
Паливні елементи використовують платину як каталізатор. Платина дорога. Дуже дорога. Вартість одного автомобіля перевищує 100 000 доларів. Деякі оцінки ще вищі. Саме тому їх не купують. Їх беруть у найм. І лише на окремих ринках. Середній покупець не може собі цього дозволити.
Дослідники шукають дешевші каталізатори. Ми знаємо, що вони існують у лабораторіях. Ніхто не знає коли вони будуть масштабовані для масового виробництва. До того часу висока ціна залишається бар’єром.
Проблема фізики зберігання
Водень – це газ. Він розширюється. Він прагне заповнити кожен доступний кубічний дюйм. Стиснення його в бак для автомобіля – це головний біль для інженерів.
Але є й теплова проблема, яку більшість людей упускають. Коли водень перебуває у баку припаркованого автомобіля, він нагрівається. Газ розширюється. Тиск зростає. Бак повинен скидати надлишки водню, щоб запобігти розриву.
Залишіть автомобіль стояти на кілька днів? Ви можете виявити, що бак порожній. Все це паливо витекло, тому що фізика теплового розширення змусила його піти. Це не просто неефективно. Це загроза безпеці.
Водень легкозаймистий. Пам’ятаєте про катастрофу дирижабля «Гінденбург» у 1930-х роках? Це вибух, мабуть, був пожежею водню. Це обґрунтований страх.
Є, однак, і добрий бік. Пожежі водню горять за нижчої температури, ніж пожежі бензину. Вони з меншою ймовірністю спричиняють вторинні вибухи. І оскільки водень легший за повітря, він піднімається вгору. Якщо він виривається назовні, він швидко розсіюється. Він не накопичується на землі, як бензин. Таким чином, ризик вибуху на рівні землі нижчий. Але небезпека витоку залишається постійною інженерною проблемою.
Парадокс забруднення
Ось головне питання. Чи є водень справді екологічно чистим?
Вихлопна трубка каже «так». Єдині викиди від паливного елемента – це тепло та вода. Чисто. Ідеально. Гарно.
Але подивіться на джерело. Водень потрібно десь виробляти.
Більшість водню виробляється з газу. Цей процес, званий парової конверсією метану, виділяє вуглекислий газ. Ми використовуємо викопне паливо для створення «чистого» палива. Це суперечить самій меті.
Потім є електроліз. Розщеплення молекул води за допомогою електрики. Якщо ця електрика надходить від вугільної електростанції, ви просто переносите забруднення з автомобіля на енергомережу. Ви не усуваєте його. Ви просто переміщаєте його.
Життєвий цикл викидів має значення. Якщо енергія виробництва палива брудна, те й паливо брудне.
Альтернатива у вигляді гібридів
Оптимісти кажуть, що ми вирішимо ці проблеми. Вони кажуть, що інфраструктура з’явиться. Ціни впадуть. Зберігання стабілізується.
Але терміни довгі. Десятиліття, а чи не роки.
Тим часом ми маємо найкращі варіанти для негайного підвищення ефективності. Гібридні електромобілі вже є. Вони працюють. Вони доступні за ціною. Ви можете придбати їх сьогодні.
Toyota Prius. Форд Fusion Hybrid. Ці автомобілі не потребують нової інфраструктури. Вони не залежать від рідкісних металів, таких як платина за завищеними цінами. Вони не втрачають палива в атмосферу через теплове розширення.
На даний момент гібриди – це прагматичний вибір. Водень може залишатися метою далеке майбутнє. Але шлях туди заблокований фізикою, політикою та чистою економікою.
Ми продовжуємо чекати водневого світанку. Він може настати. Але сонце спочатку сходить у іншому місці.
