Популярность электромобилей в последнее время несколько задвинула на второй план авто на топливных элементах. Тем не менее водород готовится дать бой электричеству, и сегодня мы посмотрим на перспективы этого элемента в энергетическом будущем планеты. Водород — это самый простой и распространенный химический элемент во вселенной, на долю которого приходится 74% всей известной нам материи. Именно водород используется звездами, в том числе и Солнцем, для высвобождения огромного количества энергии в результате термоядерных реакций.
Несмотря на свою простоту и распространенность, на Земле водород в свободной форме не встречается. За счет своего легкого веса он либо поднимается в верхние слоя атмосферы, либо вступает в связь с другими химическими элементами, например с кислородом, образуя воду.
Интерес к водороду, как к альтернативному источнику энергии, в последние десятилетия вызван двумя факторами. Во-первых, загрязнением окружающей среды ископаемым топливом, являющимся основным источником энергии на данном этапе развития цивилизации. И, во-вторых, тем фактом что запасы ископаемого топлива ограничены и по оценкам экспертов будут истощены приблизительно через шестьдесят лет.
Водород, как впрочем и некоторые другие альтернативы, является решением вышеперечисленных проблем. Использование водорода приводит к нулевым загрязнениям, поскольку в результате выделения энергии побочными продуктами являются лишь тепло и вода, которые могут быть использованы повторно для других целей. Запасы водорода также очень сложно истощить, учитывая что он составляет 74% вещества во Вселенной, а на Земле входит в состав воды, которой покрыто две трети поверхности планеты.
Содержание
Получение водорода
В отличие от ископаемых источников энергии (нефти, угля, природных газов), водород не является готовым к использованию источником энергии, а считается ее носителем. То есть взять водород в чистом виде как уголь и использовать для получения энергии невозможно, необходимо сначала потратить некоторую энергию для того чтобы получить чистый водород пригодный для использования в топливных элементах.
Поэтому водород нельзя сравнивать с ископаемыми источниками энергии и более коректна аналогия с батареями, которые предварительно необходимо зарядить. Правда батареи перестают работать после разряда, а водородные элементы могут производить энергию до тех пор пока будут снабжаться топливом (водородом).
Наиболее распространенным и недорогим методом получения водорода считается паровой риформинг, в котором используются углеводороды (вещества состоящие исключительно из углерода и водорода). Во время реакции воды и метана (CH4) при высоких температурах выделяется большое количество водорода. Недостатком метода является то, что побочным продуктом реакции является углекислый газ, поступающий в атмосферу точно так же как и при сжигании ископаемого топлива, что соответственно не снижает выбросы парниковых газов несмотря на использование альтернативного источника энергии..
Возможно и прямое применение некоторых природных газов непосредственно в водородных топливных элементах в качестве альтернативы. Это позволяет не затрачивать энергию на получение водорода из газа. Стоимость таких топливных элементов будет ниже, однако при работе на природном газе в атмосферу также будут попадать парниковые газы и другие токсические элементы, что не делает такие газы полноценной заменой водороду.
Получить водород можно и в процессе электролиза. При пропускании электрического тока через воду, происходит ее разделение на составляющие химические элементы в результате чего получают водород и кислород.
Помимо привычных способов сейчас тщательно исследуются альтернативные пути получения водорода. Например, при наличии солнечного освещения продуктом жизнедеятельности некоторых водорослей и бактерий также может быть водород. Некоторые из этих бактерий могут производить водород прямо из обычных бытовых отходов. Несмотря на относительно низкую эффективность этого метода, возможность перерабатывать отходы делает его достаточно перспективным, особенно с учетом того что эффективность процесса постоянно повышается в результате создания новых видов бактерий.
Совсем недавно на горизонте появился еще один перспективный способ получения водорода с применением аммиака (NH3). При разделении этого химического вещества на составляющие получается одна часть азота и три части водорода. Наилучшими катализаторами таких реакций являются дорогостоящие редкие металы. Новый способ вместо одного редкого катализатора использует два доступных и недорогих вещества, соду и амиды. При этом эффективность процесса сопоставима с наиболее результативными дорогими катализаторами.
Помимо низкой стоимости данный метод примечателен и тем что аммиак проще хранить и транспортировать по сравнению с водородом. А в необходимый момент водород можно получить из аммиака просто запустив химическую реакцию. По неподтвержденным пока прогнозам использование аммиака позволит создать реактор объемом не более 2-литровой бутылки, достаточный для производства водорода из аммиака в количествах достаточных для использования автомобилем обычных размеров.
Аммиак на данный момент транспортируется в огромных количествах и широко применяется в качестве удобрения. Именно это химическое вещество делает возможным выращивание практически половины еды на Земле, и возможно в будущем станет одним из важнейших источников энергии для человечества.
Сферы применения
Водородные топливные элементы могут применяться практически в любом виде транспорта, в стационарных источниках энергии для домов, а также в небольших портативных, иногда карманных устройствах, для генерирования электричества, используемого другими мобильными устройствами.
Еще в 70-х годах прошлого столетия водород начали применять в NASA для вывода ракет и космических шатлов на орбиту Земли. Водород используется и позже для получения электричества на шатлах, а также воды и тепла в качестве побочных продуктов реакции.
На текущий момент наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.
Сравнение водородных и электрических автомобилей
Водород на обывательском уровне по-прежнему принято считать опасным химическим элементом. Эта репутация закрепилась за ним после крушения дирижабля Гинденбург в 1937. Тем не менее Администрация по энергетической информации США (EIA) утверждает что в аспектах использования водорода касающихся нежелательных взрывов, этот элемент как минимум так же безопасен как и бензин.
На текущий момент очевидно, что если не произойдет очередной технологической революции, то машины ближайшего будущего будут преимущественно либо электрическими, либо водородными, либо гибридными формами этих двух технологий и бензиновых авто.
У каждого из вариантов развития автоиндустрии есть свои преимущества и недостатки. Заправочные станции под водородное топливо гораздо проще сделать на базе текущих бензиновых заправок, чего не можно сказать об инфраструктуре для электического «заряда» транспортных средств.
В определенном смысле разделение на водородные и электрические автомобили является искусственным, поскольку в обоих случаях машина использует электричество для движения. Только в электрокарах оно запасено в более привычной для нас форме непосредственно в аккумуляторах, а в топливных элементах вещество, которое в результате реакции будет переводить химическую энергию в электрическую, можно добавить в любой момент.
Заправка водородом по времени сравнима с заправкой бензином, и занимает несколько минут, а вот полный заряд электрических аккумуляторов на текущий момент в лучшем случае производится за 20-40 минут. С другой стороны электромобили обладают тем преимуществом что их можно подключать к розетке непосредственно дома, и если делать это ночью то можно экономить на электро-тарифах.
Экологичность
Поскольку ни электричество, ни водород не являются природными источниками энергии, в отличие от ископаемого топлива, то на их получение необходимо затратить энергию. Источник этой энергии и становится решающим фактором в экологичности как водородных, так и электрических автомобилях.
Для получения водорода требуется либо тепло, либо электрический ток, которые в жарких и солнечных регионах планеты могут быть получены сбором солнечной энергии. В холодных странах, например Скандинавии, уже сейчас упор делается на более подходящем для этого климата источнике зеленой энергии, на ветряных станциях, которые с таким же успехом могут принимать участие в производстве водорода с помощью электролиза. Примечательно что водород в таком случае может использоваться и для хранения неиспользуемой энергии, например при выработке ночью.
Учитывая обязательную стадию получения водорода и электричества, нулевой уровень выбросов таких автомобилей зависит от того каким способом была получена первичная энергия. Именно поэтому между обоими типами транспортных средств соблюдается паритет и ни один нельзя причислить к более экологическому средству передвижения.
Шум
Ничью можно констатировать и сравнив шумность этих видов транспорта. В отличие от традиционных, новые двигатели работают гораздо тише.
По этому поводу можно вспомнить известный закон красного флага регулирующий появление первых автомобилей в 19 веке. Согласно самым жестким формам этого закона транспортное средство без лошадей не могло перемещаться в черте города со скоростью превышающей 3.2 км/ч. При этом предвосхищяя движение автомобиля за несколько минут до его появления по дороге должен был идти человек с красным флагом, предупреждающий о появлении транспорта.
Закон красного флага был принят в связи с тем что новые транспортные средства перемещались относительно бесшумно по сравнению с каретами и могли стать причиной аварий и травм, по крайней мере по мнению судей того времени. Проблема, хоть и была преувеличена, но все же спустя полтора века мы можем стать свидетелями новых подобных законов в связи с бесшумностью новых типов двигателей. Электрокары и авто на топливных элементах вряд ли работают громче первых транспортных средств, а вот скорость их перемещения в городской черте сейчас явно выше 3 км, что делает их потенциально опасными для пешеходов. В той же Формула 1 сейчас задумываются об усилении звука моторов с помощью искусственной озвучки. Но если в автогонках это делается для повышения зрелищности, то в новых автомобилях появление искусственного источника шума может стать требованием безопасности.
Отрицательные температуры
Автомобили на топливных элементах, как и обычные бензиновые авто, испытывают определенные проблемы на морозе. Внутри самых батарей может содержаться небольшое количество воды, замерзающее при отрицательных температурах и приводящее батареи в неработоспособное состояние. После прогрева батареи будут работать нормально, однако вначале без внешнего обогрева, они либо не заводятся, либо работают некоторое время на пониженной мощности.
Дальность перемещения
Дистанция перемещения современных водородных авто составляет приблизительно 500 км, что заметно больше чем в типичных электрокарах, которые нередко могут перемещаться лишь на 150-200 км. Ситуация изменилась после появления Tesla Model S, однако даже этот электрокар способен перемещаться без дозарядки на расстояние не более 430 км.
КПД
Такие цифры достаточно неожиданны если учесть КПД соответствующих типов двигателей. Для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет приблизительно 15%. КПД авто на топливных элементах — 50%. КПД электромобилей — 80%. На данный момент концерн General Electrics работает над топливными элементами с 65% эффективностью и утверждает что их КПД может быть повышен до 95%, что позволят запасать до 10 МВт электрической энергии (после преобразования) в одном элементе.
Вес батарей и топлива
Однако слабым местом электрокаров являются сами батареи. Например в Tesla Model S она весит 550 кг, а полный вес авто составляет 2100 кг, что на пару сотен килограм больше веса аналогичного водородного транспортного средства. Вес этой батареи к тому же не уменьшается по мере преодоления дистанции, в то время как выработанное топливо в бензиновых и водородных автомобилях постепенно делает машину легче.
Выигрывают водородные элементы и в плане хранения энергии в пересчете на единицу массы. В плане плотности энергии на единицу объема водород не так хорош. При обычных условиях этот газ содержит лишь треть энергии метана в одинаковом объеме. Естественно водород хранится при транспортировке и внутри топливных батарей в жидком или сжатом виде. Но даже в этом случае количество энергии (Мегаджоулей) в одном литре проигрывает показателям бензина.
Сильные стороны водорода проявляются при пересчете энергии на единицу веса. В этом случае он уже в три раза превосходит бензин (143 МДж/кг против 47 МДж/кг). Выигрывает водород по этому показателю и у электрических батарей. При одинаковом весе водород имеет вдвое больший запас энергии чем электрическая батарея.
Хранение и транспортировка
Определенные сложности возникают и при хранении водорода. Наиболее эффективная форма для транспортировки и хранения этого химического элемента — жидкое состояние. Однако добиться перехода газа в жидкую форму можно лишь при температуре в -253 градуса Цельсия, что требует специальных контейнеров, оборудования и немалых финансовых затрат.
2015 год
Toyota, Hyundai, Honda и другие производители авто в течение многих лет вкладывали большие средства в исследование водородных топливных элементов и в 2015 году собираются представить первые автомобили стоимость и характеристики которых позволят рассматривать их как альтернативу другим видам транспорта. Машина на топливных элементах в 2015 году должна быть среднеразмерным 4-дверным седаном с возможностью преодоления как минимум 500 км без дозаправок, которые будут длиться не более пяти минут. Стоимость такого авто должна находиться в диапазоне от $50 тыс до $100 тыс. Таким образом стоимость водородных авто снизилась на порядок в течение одного десятилетия.
Как должно быть очевидно из списка автопроизводителей, Япония станет одним из центров развития водородных автомобилей. Интересно что одним из главных рынков для этих авто станет территория отделенная от Японии гораздо большими расстояними чем близлежащий азиатский рынок.
Калифорния уже давно имеет репутацию одного из самых прогрессивных мест на планете Земля. Именно здесь законодательство часто дает зеленый свет новейшим технологиям и изобретениям. Не стало исключением и продвижение автомобилей на альтернативном топливе.
Согласно принятому закону о транспортных средствах с нулевым выбросом (ZEV — zero-emission vehicle) к 2025 15% от всех проданных автомобилей не должны производить вредных выбросов в атмосферу. Совместно с десятью другими штатами, принявшими аналогичные законы, к 2025 году на дорогах США должно находиться около 3.3 млн ZEV.
Несмотря на то что подготовка к запуску новых автомобилей идет полным ходом, на первых этапах производителям придется столкнуться с серьезными инфраструктурными проблемами . Toyota выделила $200 млн на постройку водородных заправочных станций на территории Калифорнии, однако этих средств будет достаточно для создания лишь двадцати заправочных точек в следующем году. Даже без учета большой стоимости постройки, количество заправок будет увеличиваться достаточно скромными темпами. В 2016 году их число составит 40 штук, а в 2024 — 100 штук.
Такие размеренные сроки постройки можно легко объяснить тем что провести даже небольшую технологическую революцию за один год практически невозможно. 2015 год обозначен в календаре как год начала развития водородной автоиндустрии, однако настоящую конкуренцию машины на топливных элементах смогут составить своим конкурентам скорее всего лишь с появлением второго поколения более недорогих и надежных моделей, которые ожидаются к 2020 году, и появятся на дорогах с уже более-менее развитой сетью дозаправочных станций.
Несмотря на обилие японских имен среди производителей водородных авто, интересуются этим видом транспорта на других континентах. Среди известных производителей водородные планы есть у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.
Итоги
Как это часто бывает, мир не делится на белое и черное, и водород не станет единственным источником энергии в будущем. Этот элемент совместно с другими альтеранитвными источниками энергии станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды и исчезновения природных ископаемых ресурсов. Перспектива данного вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в 2015 году с появлением первых массовых авто на дорогах. Насколько они смогут конкурировать с электромобилями мы скорее всего узнаем в 2020 году по мере дальнейшего развития технологий и появления второго поколения топливных авто.