Nie można jeszcze kupić samochodu na wodór. Jeśli jednak mieszkasz w Kalifornii, możesz go wypożyczyć. Nie zużywa benzyny. Nie zanieczyszcza powietrza. Wydech składa się wyłącznie z pary. Sekretnym paliwem jest wodór. Jest to najprostszy i najobficiej występujący pierwiastek we Wszechświecie. Niektórzy eksperci uważają, że za 20–30 lat wszyscy będziemy jeździć tymi oszczędnymi pojazdami.
Pomysł nie jest nowy. Technologie wykorzystania wodoru do wytwarzania energii sięgają pierwszej połowy XIX wieku. Jest starszy od samego samochodu. Nowością jest pojawienie się na drogach samochodów napędzanych wodorem. Zamiast śmierdzących gazów z rury wydechowej wydobywa się para. Obecnie istnieje kilka samochodów napędzanych wodorem. Większość z nich to samochody koncepcyjne. Do tych ekologicznych pojazdów należy Chevrolet Equinox. Kolejnym przykładem jest BMW 745h. Honda FCX to model obecnie dostępny do wypożyczenia w Kalifornii.
Możliwość stworzenia samochodu wodorowego daje ogniwo paliwowe. Przekształca wodór w energię elektryczną. Jedynymi produktami ubocznymi są ciepło i woda. Ponieważ wodór nie powoduje zanieczyszczeń, wydaje się być idealnym paliwem XXI wieku. Wiele osób w rządzie i przemyśle samochodowym jest podekscytowanych jego potencjałem. Pojazdy wodorowe mają potencjał w zakresie dużej efektywności paliwowej. Dają nadzieję na przyjazną dla środowiska i ekologiczną jazdę.
„Jeśli nie mieszkasz w ściśle określonej części kraju i nie masz kieszeni wypełnionych gotówką, nie spodziewaj się, że w ciągu następnej dekady zobaczysz w garażu samochód napędzany wodorem”.
Nadal istnieje wiele problemów, które należy rozwiązać. Zanim wodór stanie się paliwem głównego nurtu, należy odpowiedzieć na wiele pytań. Powinno to mieć znaczący wpływ na nasze obecne wykorzystanie paliw kopalnych. Na przykład, skąd weźmiemy wodór? Jak drogie będą te oszczędne samochody w momencie zakupu? Czy możesz znaleźć stację wodną, aby napełnić swój zbiornik? I być może najważniejsze: czy wodór jako paliwo jest naprawdę tak wolny od zanieczyszczeń, jak się wydaje?
Przyjrzymy się tym pytaniom na kolejnych stronach. Ale teraz możemy dać ci jedną szybką odpowiedź. Jeśli nie mieszkasz w ściśle określonej części kraju i nie masz kieszeni wypchanych gotówką, nie spodziewaj się, że w ciągu najbliższej dekady zobaczysz w garażu samochód napędzany wodorem.
Wodorowe ogniwa paliwowe
Sir William Robert Grove nie tylko wynalazł to urządzenie. Wywrócił fizykę do góry nogami. W 1839 roku walijski naukowiec zajął się procesem elektrolizy – wykorzystującym energię elektryczną do rozbicia wody na wodór i tlen – i wywrócił go do góry nogami. Z wodoru pozyskiwał prąd i wodę. Nazwał to „ogniwem gazowo-woltaicznym”. Nazywamy to wodorowym ogniwem paliwowym.
Kilkadziesiąt lat później Francis Bacon udoskonalił tę technologię. To właśnie ten wynalazek stał się sercem nowoczesnych samochodów wodorowych.
Od kapsuł kosmicznych po ulice miast
We wczesnych latach sześćdziesiątych General Electric stworzył pierwszy praktyczny system. Zasilał orbitujące kapsuły kosmiczne. W latach 90. ogniwa paliwowe napędzały już autobusy miejskie. Możliwość ich wykorzystania nie była domysłem. Zostało to udowodnione.
Pomyśl o ogniwie paliwowym jak o akumulatorze z kompleksem wyższości. Akumulator przechowuje paliwo wewnętrznie. Ogniwo paliwowe wymaga tankowania. Jego paliwem jest wodór. To najprostszy element. Jeden elektron. Jeden proton.
Pierwiastek wytwarza energię poprzez oddzielenie elektronów od protonów. Elektrony te przepływają jako czysty prąd elektryczny. Zjonizowane atomy wodoru spotykają się z tlenem. Tworzą wodę. Kolejnym produktem ubocznym jest ciepło. Woda ta zwykle wypływa w postaci pary.
Zero emisji z rury wydechowej. Jeździsz – wydychasz parę.
Mechanika PEM
Samochody korzystają z pewnego typu elementów. Ogniwo paliwowe z membraną polimerową. To światło. Jest kompaktowy.
Posiada dwie elektrody. Anoda z ładunkiem ujemnym. Katoda z ładunkiem dodatnim. Katalizator. I membrana.
Wodór występuje w postaci cząsteczek H2. Dwa atomy wodoru połączone ze sobą. Katalizator na anodzie rozrywa wiązanie. Otrzymujesz jony wodoru (protony) i elektrony. Jony przechodzą przez membranę. Elektrony nie mogą. Zmuszeni są skorzystać z objazdu.
To obejście jest źródłem energii. Używasz tego wątku do pracy.
Tlen wchodzi do katody. Protony i elektrony łączą się tam ponownie. Łączą się z tlenem. Tworzy się woda. Większość staje się spalinami.
Elementy są płaskie. Cienki. Są ułożone. Więcej elementów w stosie oznacza wyższe napięcie. Prosta matematyka.
Inicjatywa bezpłatnego paliwa
Powszechnie uważano, że pojazdy energooszczędne, takie jak pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi, stanowią odpowiedź na potrzeby energetyczne XXI wieku. W 2003 roku prezydent George Walker Bush wyraził to przekonanie. Ogłosił Inicjatywę Free Fuel z budżetem 1,2 miliarda dolarów.
Jaki jest cel? Wsparcie rozwoju ogniw paliwowych.
Istnieją dwie główne zalety w porównaniu z paliwami kopalnymi. Po pierwsze, olej nie jest wyczerpany. Utrzymujemy istniejące zapasy. Zmniejszamy zależność od zagranicznej ropy.
Po drugie, zanieczyszczenie spada do zera. Jedynymi produktami ubocznymi są ciepło i woda. Emisje dwutlenku węgla z samochodów są powiązane z globalnym ociepleniem. Ogniwa paliwowe nie są dodawane do tej listy.
Na następnej stronie przyjrzymy się produkcji. Jak te samochody są zbudowane. I, co ważniejsze, skąd pochodzi wodór?
Produkcja samochodów wodorowych nie jest nauką o rakietach. Niewiele różni się od montażu konwencjonalnego samochodu z silnikiem spalinowym. Oczywiście poważne zmiany dotyczą układu napędowego i architektury elektrycznej. Stos ogniw paliwowych wytwarza energię elektryczną, a nie spala paliwo. Oznacza to, że układ napędowy ma więcej wspólnego z pojazdem elektrycznym akumulatorowym niż z tradycyjnym sedanem.
Prawdziwym wąskim gardłem nie są linie montażowe, ale samo paliwo.
Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Stanowi około 90% wszystkich atomów. Można by pomyśleć, że odzyskanie go byłoby banalne. Ale to nieprawda. Wodór jest także najlżejszym pierwiastkiem. Wolny wodór na powierzchni Ziemi nie pozostaje na miejscu: ucieka w przestrzeń kosmiczną. To, co pozostaje na planecie, jest połączone w połączeniach. Najczęściej są to cząsteczki wody (H2O). Woda pokrywa powierzchnię naszej planety. A jest tego mnóstwo.
Jak więc oddzielić cząsteczki H2O? A może powinienem poszukać źródła gdzie indziej?
Metoda elektrolizy
Najłatwiejszą trasę odkrył ponad 150 lat temu Sir William Grove. Elektroliza. Przepuszczając prąd elektryczny przez wodę, cząsteczki H2O ulegają rozkładowi. Proces ten jest odwrotnością działania ogniwa paliwowego. Wykorzystuje anodę i katodę, zwykle wykonane z metali obojętnych.
Kiedy prąd wpływa na wodę:
– Wodór zbiera się na katodzie.
– Tlen gromadzi się na anodzie.
Proces jest powolny. Ale jest skalowalne. Można to przeprowadzić na skalę przemysłową. Czysto jest, jeśli prąd również pochodzi z czystych źródeł.
Skrót przez gaz ziemny
Jest inny sposób. Gaz ziemny. Składa się z węglowodorów. Reforming parowy polega na ekstrakcji wodoru z tego gazu, pozostawiając węgiel. Jest to obecnie dominująca metoda produkcji wodoru na skalę przemysłową. Jest prawdopodobne, że metoda ta będzie pierwszą zastosowaną do zasilania pierwszej fali pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi.
Ale jest pewien haczyk. Reforming parowy opiera się na paliwach kopalnych. Jeśli celem jest zaprzestanie spalania paliw kopalnych, wykorzystanie gazu ziemnego do produkcji wodoru jest ironią losu. Jest to prawdopodobnie najgorsze możliwe źródło ekologicznego paliwa.
Fabryki wielkości garaży i samochody napędzane wodą
Niektórzy eksperci marzą o miniaturowych elektrowniach wodorowych. Taki, który zmieści się w Twoim garażu. Nie będziesz musiał odwiedzać stacji benzynowej. Po prostu zatankujesz w domu.
Najbardziej radykalna wersja tego pomysłu zakłada przeprowadzenie elektrolizy bezpośrednio w samochodzie. Samochód poruszający się na wodzie. To brzmi jak science fiction. Ale to wymaga energii. Energia elektryczna do elektrolizy musi skądś pochodzić. Z akumulatora. Zatem samochód napędzany wodą nadal wymaga okresowego ładowania. To nie jest perpetuum mobile. Polega to po prostu na przeniesieniu źródła zasilania z pompy gazowej do gniazdka ściennego.
Droga przed nami
Czy te ekologiczne samochody będą przyszłością? Wielu ma taką nadzieję. Jednak droga do świata napędzanego wodorem jest usiana potencjalnymi przeszkodami. Koszt produkcji. Luki w infrastrukturze. Utrata wydajności.
Przyjrzymy się tym kwestiom w następnej sekcji.
Wady samochodów wodorowych
Wciąż słyszysz ten szum. Wodorowe ogniwa paliwowe są często przedstawiane jako „święty Graal” zrównoważonego transportu. Brzmi czysto. To brzmi skutecznie. To brzmi jak przyszłość. Ale rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana. Wciąż dzieli nas kilkadziesiąt lat od zdominowania dróg przez te samochody. Przeszkody są nie tylko techniczne. Są ekonomiczne, logistyczne i szczerze mówiąc trochę żenujące dla zwolenników tej technologii.
Możemy podzielić te awarie na trzy kategorie. Pierwszym z nich są pieniądze. Dużo pieniędzy. Druga to fizyka magazynowania gazu, który nie chce pozostać w jednym miejscu. A trzecia to nieprzyjemna prawda o tym, skąd właściwie pochodzi ten wodór.
Koszmar infrastrukturalny i cena
Porozmawiajmy o dolarach. Gdybyście dzisiaj kupili samochód na wodór, nie mielibyście gdzie go zatankować.
Infrastruktura do tankowania praktycznie nie istnieje. Kalifornia jest wyjątkiem. Gubernator Arnold Schwarzenegger swego czasu aktywnie promował ten obszar, dlatego znajdują się tam stacje benzynowe. W innych regionach? Spróbuj znaleźć pompę benzynową. To jak szukanie igły w stogu siana.
Stworzenie takiej sieci nie jest tanie. Pesymistyczne szacunki szacują koszt infrastruktury krajowej na 500 miliardów dolarów. I nie jest to projekt weekendowy. Poprawienie tego może zająć cztery dekady.
Potem jest sam samochód.
Ogniwa paliwowe wykorzystują platynę jako katalizator. Platyna jest droga. Bardzo drogie. Koszt jednego samochodu przekracza 100 000 dolarów. Niektóre szacunki są jeszcze wyższe. Dlatego ich nie kupują. Są wynajmowane. I tylko na niektórych rynkach. Przeciętnego kupującego na to nie stać.
Naukowcy szukają tańszych katalizatorów. Wiemy, że istnieją w laboratoriach. Nikt nie wie, kiedy zostaną one przeznaczone do masowej produkcji. Do tego czasu barierą pozostaje wysoka cena.
Problem z fizyką przechowywania
Wodór jest gazem. Rozszerza się. Stara się wypełnić każdy dostępny centymetr sześcienny. Skompresowanie go do zbiornika samochodu przyprawia inżynierów o ból głowy.
Ale istnieje również problem termiczny, który większość ludzi pomija. Gdy wodór znajduje się w zbiorniku zaparkowanego samochodu, nagrzewa się. Gaz rozszerza się. Ciśnienie rośnie. Zbiornik musi uwolnić nadmiar wodoru, aby zapobiec pęknięciu.
Zostawić samochód na kilka dni? Może się okazać, że zbiornik jest pusty. Całe to paliwo wyciekło, ponieważ wymusiła je fizyka rozszerzalności cieplnej. To nie tylko nieskuteczne. Jest to zagrożenie bezpieczeństwa.
Wodór jest łatwopalny. Pamiętacie katastrofę sterowca Hindenburg w latach trzydziestych XX wieku? Wybuch ten był prawdopodobnie pożarem wodoru. Jest to uzasadniona obawa.
Jest jednak dobra strona. Pożary wodorowe spalają się w niższej temperaturze niż pożary benzynowe. Jest mniej prawdopodobne, że powodują wtórne eksplozje. A ponieważ wodór jest lżejszy od powietrza, unosi się. Jeśli ucieknie, szybko się rozproszy. Nie gromadzi się na podłożu jak benzyna. Dzięki temu ryzyko eksplozji na poziomie gruntu jest mniejsze. Jednak niebezpieczeństwo wycieku pozostaje stałym problemem inżynieryjnym.
Paradoks zanieczyszczeń
To jest główne pytanie. Czy wodór jest naprawdę ekologiczny?
Rura wydechowa mówi, że tak. Jedyne emisje z ogniwa paliwowego to ciepło i woda. Czysto. Doskonały. Piękny.
Ale spójrz na źródło. Gdzieś trzeba produkować wodór.
Większość wodoru wytwarzana jest z gazu ziemnego. Proces ten, zwany parowym reformingiem metanu, uwalnia dwutlenek węgla. Wykorzystujemy paliwa kopalne do tworzenia „czystych” paliw. To mija się z celem.
Następnie następuje elektroliza. Rozszczepianie cząsteczek wody za pomocą prądu. Jeśli energia elektryczna pochodzi z elektrowni węglowej, po prostu przenosisz zanieczyszczenia z samochodu do sieci. Nie wyeliminujesz tego. Po prostu to przesuwasz.
Cykl życia emisji ma znaczenie. Jeśli energia potrzebna do wytworzenia paliwa jest brudna, oznacza to, że paliwo jest brudne.
Alternatywa w postaci hybryd
Optymiści mówią, że rozwiążemy te problemy. Mówią, że infrastruktura się pojawi. Ceny spadną. Magazynowanie się stabilizuje.
Ale terminy są długie. Dekady, nie lata.
W międzyczasie mamy lepsze możliwości natychmiastowego zwiększenia wydajności. Hybrydowe pojazdy elektryczne już istnieją. Oni pracują. Są niedrogie. Można je kupić już dziś.
Toyoty Priusa. Hybryda Forda Fusion. Pojazdy te nie wymagają nowej infrastruktury. Nie są one uzależnione od metali rzadkich, takich jak platyna, po zawyżonych cenach. Nie tracą paliwa do atmosfery w wyniku rozszerzalności cieplnej.
Na razie hybrydy są pragmatycznym wyborem. Wodór może pozostać celem na odległą przyszłość. Ale drogę do tego blokują fizyka, polityka i czysta ekonomia.
Nadal czekamy na wodorowy świt. Może nadejść. Ale słońce wschodzi najpierw gdzie indziej.
