Пока что вы не можете купить автомобиль на водороде. Однако, если вы живете в Калифорнии, вы можете взять его в аренду. Он не потребляет бензин. Он не загрязняет воздух. Выхлоп состоит лишь из пара. Тайное топливо — это водород. Это самый простой и распространенный элемент во Вселенной. Некоторые эксперты считают, что через 20–30 лет все мы будем ездить на этих экономичных транспортных средствах.
Идея не нова. Технологии использования водорода для выработки энергии восходят к первой половине XIX века. Это старше самого автомобиля. Новым является появление на дорогах автомобилей, работающих на водороде. Из выхлопной трубы вместо вонючих газов идет пар. Сегодня существуют несколько автомобилей на водороде. Большинство из них — концепт-кары. К этим экологически чистым транспортным средствам относятся Chevrolet Equinox. BMW 745h — еще один пример. Honda FCX — это модель, которая в настоящее время доступна для аренды в Калифорнии.
Возможность создания автомобиля на водороде обеспечивает топливный элемент. Он преобразует водород в электричество. Единственными побочными продуктами являются тепло и вода. Поскольку водород не загрязняет окружающую среду, он кажется идеальным топливом для XXI века. Многие люди в правительстве и автомобильной промышленности воодушевлены его потенциалом. Автомобили на водороде обладают потенциалом высокой топливной эффективности. Они дают надежду на экологически чистое, «зеленое» вождение.
«Если вы не живете в очень определенных частях страны и не имеете карманы, набитые деньгами, не ожидайте появления автомобиля на водороде в своем гараже в течение следующего десятилетия».
Есть еще много проблем, которые необходимо решить. Необходимо ответить на ряд вопросов, прежде чем водород станет основным видом топлива. Он должен существенно повлиять на наше текущее использование ископаемого топлива. Например, откуда мы будем получать водород? Насколько дорогими будут эти экономичные автомобили при покупке? Сможете ли вы найти водозаправочную станцию, чтобы заправить свой бак? И, возможно, самое важное: как топливо, действительно ли водород так же не загрязняет окружающую среду, как кажется?
Мы рассмотрим эти вопросы на следующих страницах. Но прямо сейчас мы можем дать вам один быстрый ответ. Если вы не живете в очень определенных частях страны и не имеете карманы, набитые деньгами, не ожидайте появления автомобиля на водороде в своем гараже в течение следующего десятилетия.
Водородные топливные элементы
Сэр Уильям Роберт Гроув не просто изобрёл устройство. Он перевернул физику. В 1839 году валлийский учёный взял процесс электролиза — использование электричества для расщепления воды на водород и кислород — и перевернул его с ног на голову. Он получил электричество и воду из водорода. Он назвал это «газовым вольтовом элементом». Мы называем это водородным топливным элементом.
Десятилетия спустя Фрэнсис Бэкон усовершенствовал технологию. Именно это изобретение стало сердцем современных водородных автомобилей.
От космических капсул до городских улиц
В начале 1960-х годов компания General Electric создала первую практическую систему. Она питала орбитальные космические капсулы. К 1990-м годам топливные элементы уже приводили в движение городские автобусы. Возможность их применения была не догадкой. Она была доказана.
Представьте себе топливный элемент как батарею с комплексом превосходства. Батарея хранит своё топливо внутри. Топливному элементу требуется заправка. Его топливо — водород. Это самый простой элемент. Один электрон. Один протон.
Элемент вырабатывает энергию, отделяя электроны от протонов. Эти электроны текут в виде чистого электрического тока. Ионизированные атомы водорода встречаются с кислородом. Они образуют воду. Другим побочным продуктом является тепло. Эта вода обычно выходит в виде пара.
Нулевые выбросы из выхлопной трубы. Вы едете — вы выдыхаете пар.
Механика PEM
В автомобилях используется определённый тип элемента. Топливный элемент с полимерной мембраной. Он лёгкий. Он компактный.
Он имеет два электрода. Анод с отрицательным зарядом. Катод с положительным зарядом. Катализатор. И мембрана.
Водород поступает в виде молекул H2. Два атома водорода, соединённых вместе. Катализатор на аноде разрывает связь. Вы получаете ионы водорода (протоны) и электроны. Ионы проходят через мембрану. Электроны не могут. Они вынуждены идти в обход.
Этот обход и есть источник энергии. Вы используете этот поток для совершения работы.
Кислород поступает на катод. Протоны и электроны воссоединяются там. Они соединяются с кислородом. Образуется вода. Большая часть её становится выхлопом.
Элементы плоские. Тонкие. Они укладываются в стопку. Больше элементов в стопке означает более высокое напряжение. Простая математика.
Инициатива «Свободное топливо»
Многие считали, что энергоэффективные автомобили, такие как автомобили на водородных топливных элементах, являются ответом на энергетические потребности 21-го века. В 2003 году президент Джордж Уокер Буш выразил эту веру. Он объявил об Инициативе «Свободное топливо» с бюджетом 1,2 миллиарда долларов.
Какова цель? Поддержка разработки топливных элементов.
Существует два основных преимущества перед ископаемым топливом. Во-первых, нефть не истощается. Мы сохраняем существующие запасы. Мы снижаем зависимость от иностранной нефти.
Во-вторых, загрязнение падает до нуля. Единственными побочными продуктами являются тепло и вода. Выбросы углерода от автомобилей связаны с глобальным потеплением. Топливные элементы не добавляют к этому списку.
На следующей странице мы рассмотрим производство. Как строятся эти автомобили. И, что более важно, откуда берётся водород.
Производство автомобилей на водороде — это не ракетостроение. Оно мало чем отличается от сборки обычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Конечно, серьёзные изменения затрагивают трансмиссию и электрическую архитектуру. Стек топливных элементов вырабатывает электричество, а не сжигает топливо. Это означает, что силовая установка имеет больше общего с аккумуляторным электромобилем, чем с традиционным седаном.
Настоящим узким местом являются не сборочные линии, а само топливо.
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Он составляет около 90% всех атомов. Можно было бы подумать, что его извлечение тривиально. Но это не так. Водород также является самым лёгким элементом. Любой свободный водород на поверхности Земли не остаётся на месте: он улетучивается в космос. То, что остаётся на планете, связано в соединениях. Чаще всего это молекулы воды (H2O). Вода покрывает поверхность нашей планеты. И её очень много.
Итак, как мы разделяем молекулы H2O? Или стоит искать источник в другом месте?
Метод электролиза
Самый простой путь был открыт более 150 лет назад сэром Уильямом Гроувом. Электролиз. Пропуская электрический ток через воду, молекулы H2O расщепляются. Этот процесс является обратной копией работы топливного элемента. Он использует анод и катод, обычно изготовленные из инертных металлов.
Когда ток воздействует на воду:
— Водород собирается на катоде.
— Кислород собирается на аноде.
Процесс медленный. Но он масштабируем. Его можно осуществлять в промышленных масштабах. Он чистый, если электричество также получено из чистых источников.
Короткий путь через природный газ
Есть и другой способ. Природный газ. Он состоит из углеводородов. Паровая конверсия извлекает водород из этого газа, оставляя углерод позади. В настоящее время это доминирующий метод производства водорода в промышленных масштабах. Вероятно, именно этот метод будет первым использован для заправки первой волны автомобилей на топливных элементах.
Но здесь есть подвох. Паровая конверсия основана на ископаемом топливе. Если цель заключается в прекращении сжигания ископаемого топлива, то использование природного газа для производства водорода является ироничным. Это, пожалуй, худший возможный источник для «зелёного» топлива.
Заводы размером с гараж и автомобили, работающие на воде
Некоторые эксперты мечтают о миниатюрных водородных установках. Таких, которые поместятся в вашем гараже. Вам не нужно будет посещать заправочную станцию. Вы просто будете заправляться дома.
Наиболее радикальная версия этой идеи предполагает проведение электролиза непосредственно в автомобиле. Автомобиль, работающий на воде. Это звучит как научная фантастика. Но для этого требуется энергия. Электричество для электролиза должно откуда-то поступать. Из батареи. Таким образом, автомобиль, работающий на воде, всё ещё нуждается в периодической подзарядке. Это не вечный двигатель. Это просто перемещение источника энергии с заправочного насоса на настенную розетку.
Дорога впереди
Станут ли эти экологически чистые автомобили будущим? Многие надеются, что да. Но путь к миру, работающему на водороде, усеян потенциальными препятствиями. Стоимость производства. Пробелы в инфраструктуре. Потери эффективности.
Мы рассмотрим эти проблемы в следующем разделе.
Недостатки автомобилей на водороде
Вы всё ещё слышите этот хайп. Водородные топливные элементы часто изображают как «святой Грааль» экологичного транспорта. Это звучит чисто. Это звучит эффективно. Это звучит как будущее. Но реальность гораздо сложнее. До того, как эти автомобили выйдут на доминирующие позиции на дорогах, нам ещё далеко — на десятилетия. Препятствия носят не только технический характер. Они экономические, логистические и, честно говоря, немного смущающие для сторонников этой технологии.
Мы можем разделить эти неудачи на три категории. Первая — деньги. Много денег. Вторая — физика хранения газа, который отказывается оставаться в одном месте. И третья — неприятная правда о том, откуда на самом деле берётся этот водород.
Кошмар с инфраструктурой и ценовая метка
Поговорим о долларах. Если бы вы купили водородный автомобиль сегодня, вам было бы некуда заправлять его.
Инфраструктура для заправки практически отсутствует. Калифорния — исключение. Губернатор Арнольд Шварценеггер активно продвигал это направление в своё время, поэтому там можно найти заправки. В остальных регионах? Попробуйте найти заправочную колонку. Это всё равно что искать иголку в стоге сена.
Создание такой сети обходится недёшево. Пессимистичные оценки оценивают стоимость национальной инфраструктуры в 500 миллиардов долларов. И это не проект на выходные. На то, чтобы всё сделать правильно, может уйти четыре десятилетия.
Затем есть сам автомобиль.
Топливные элементы используют платину в качестве катализатора. Платина дорога. Очень дорога. Стоимость одного автомобиля превышает 100 000 долларов. Некоторые оценки ещё выше. Именно поэтому их не покупают. Их берут в аренду. И только на отдельных рынках. Средний покупатель не может себе этого позволить.
Исследователи ищут более дешёвые катализаторы. Мы знаем, что они существуют в лабораториях. Никто не знает, когда они будут масштабированы для массового производства. До тех пор высокая цена остаётся барьером.
Проблема физики хранения
Водород — это газ. Он расширяется. Он стремится заполнить каждый доступный кубический дюйм. Сжатие его в бак для автомобиля — это головная боль для инженеров.
Но есть и тепловая проблема, которую большинство людей упускают. Когда водород находится в баке припаркованного автомобиля, он нагревается. Газ расширяется. Давление растёт. Бак должен сбрасывать излишки водорода, чтобы предотвратить разрыв.
Оставьте автомобиль стоять на несколько дней? Вы можете обнаружить, что бак пуст. Всё это топливо вытекло, потому что физика теплового расширения заставила его уйти. Это не просто неэффективно. Это угроза безопасности.
Водород легковоспламеняем. Помните катастрофу дирижабля «Гинденбург» в 1930-х годах? Это взрыв, вероятно, был пожаром водорода. Это обоснованный страх.
Есть, однако, и хорошая сторона. Пожары водорода горят при более низкой температуре, чем пожары бензина. Они с меньшей вероятностью вызывают вторичные взрывы. И поскольку водород легче воздуха, он поднимается вверх. Если он вырывается наружу, он быстро рассеивается. Он не скапливается на земле, как бензин. Таким образом, риск взрыва на уровне земли ниже. Но опасность утечки остаётся постоянной инженерной проблемой.
Парадокс загрязнения
Вот главный вопрос. Является ли водород действительно экологически чистым?
Выхлопная трубка говорит «да». Единственные выбросы от топливного элемента — это тепло и вода. Чисто. Идеально. Красиво.
Но посмотрите на источник. Водород нужно где-то производить.
Большая часть водорода производится из природного газа. Этот процесс, называемый паровой конверсией метана, выделяет углекислый газ. Мы используем ископаемое топливо для создания «чистого» топлива. Это противоречит самой цели.
Затем есть электролиз. Расщепление молекул воды с помощью электричества. Если это электричество поступает от угольной электростанции, вы просто переносите загрязнение с автомобиля на энергосеть. Вы не устраняете его. Вы просто перемещаете его.
Жизненный цикл выбросов имеет значение. Если энергия для производства топлива грязная, то и топливо грязное.
Альтернатива в виде гибридов
Оптимисты говорят, что мы решим эти проблемы. Они говорят, что инфраструктура появится. Цены упадут. Хранение стабилизируется.
Но сроки длинные. Десятилетия, а не годы.
Тем временем у нас есть лучшие варианты для немедленного повышения эффективности. Гибридные электромобили уже существуют. Они работают. Они доступны по цене. Вы можете купить их сегодня.
Toyota Prius. Ford Fusion Hybrid. Эти автомобили не требуют новой инфраструктуры. Они не зависят от редких металлов, таких как платина, по завышенным ценам. Они не теряют топливо в атмосферу из-за теплового расширения.
На данный момент гибриды — это прагматичный выбор. Водород может оставаться целью на далёкое будущее. Но путь туда заблокирован физикой, политикой и чистой экономикой.
Мы продолжаем ждать водородного рассвета. Он может наступить. Но солнце сначала восходит в другом месте.
