Популярність електромобілів останнім часом кілька засунула на другий план авто на паливних елементах. Проте водень готується дати бій електрики, і сьогодні ми подивимося на перспективи цього елемента в енергетичному майбутньому планети. Водень - це найпростіший і найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті, на частку якого припадає 74% всієї відомої нам матерії. Саме водень використовується зірками, в тому числі і Сонцем, для вивільнення величезної кількості енергії в результаті термоядерних реакцій.
Незважаючи на свою простоту і поширеність, на Землі водень у вільній формі не зустрічається. За рахунок свого легкої ваги він або піднімається в верхні шари атмосфери, або вступає в зв'язок з іншими хімічними елементами, наприклад з киснем, утворюючи воду.
Інтерес до водню, як до альтернативного джерела енергії, в останні десятиліття викликаний двома факторами. По-перше, забрудненням навколишнього середовища викопним паливом, що є основним джерелом енергії на даному етапі розвитку цивілізації. І, по-друге, тим фактом що запаси викопного палива обмежені і за оцінками експертів будуть виснажені приблизно через шістдесят років.
Водень, як втім і деякі інші альтернативи, є рішенням перерахованих вище проблем. Використання водню призводить до нульових забруднень, оскільки в результаті виділення енергії побічними продуктами є лише тепло і вода, які можуть бути використані повторно для інших цілей. Запаси водню також дуже складно виснажити, враховуючи що він становить 74% речовини у Всесвіті, а на Землі входить до складу води, якою покрито дві третини поверхні планети.
отримання водню
На відміну від викопних джерел енергії (нафти, вугілля, природних газів), водень не є готовим до використання джерелом енергії, а вважається її носієм. Тобто взяти водень в чистому вигляді як вугілля і використовувати для отримання енергії неможливо, необхідно спочатку витратити деяку енергію для того щоб отримати чистий водень придатний для використання в паливних елементах.
Тому водень можна порівнювати з викопними джерелами енергії і більш коректний аналогія з батареями, які попередньо необхідно зарядити. Правда батареї перестають працювати після розряду, а водневі елементи можуть виробляти енергію до тих пір поки будуть забезпечуватися паливом (воднем).
Найбільш поширеним і недорогим методом отримання водню вважається паровий риформінг, в якому використовуються вуглеводні (речовини складаються виключно з вуглецю і водню). Під час реакції води і метану (CH4) при високих температурах виділяється велика кількість водню. Недоліком методу є те, що побічним продуктом реакції є вуглекислий газ, що надходить в атмосферу точно так само як і при спалюванні викопного палива, що відповідно не знижує викиди парникових газів незважаючи на використання альтернативного джерела енергії ..
Можливо і пряме застосування деяких природних газів безпосередньо в водневих паливних елементах в якості альтернативи. Це дозволяє не витрачати енергію на отримання водню з газу. Вартість таких паливних елементів буде нижче, однак при роботі на природному газі в атмосферу також будуть потрапляти парникові гази і інші токсичні елементи, що робить такі гази повноцінною заміною водню.
Отримати водень можна і в процесі електролізу. При пропущенні електричного струму через воду, відбувається її поділ на складові хімічні елементи в результаті чого отримують водень і кисень.
Крім звичних способів зараз ретельно досліджуються альтернативні шляхи отримання водню. Наприклад, при наявності сонячного освітлення продуктом життєдіяльності деяких водоростей і бактерій також може бути водень. Деякі з цих бактерій можуть виробляти водень прямо зі звичайних побутових відходів. Незважаючи на відносно низьку ефективність цього методу, можливість переробляти відходи робить його досить перспективним, особливо з урахуванням того що ефективність процесу постійно підвищується в результаті створення нових видів бактерій.
Зовсім недавно на горизонті з'явився ще один перспективний спосіб отримання водню із застосуванням аміаку (NH3). При поділі цієї хімічної речовини на складові виходить одна частина азоту і три частини водню. Найкращими каталізаторами таких реакцій є дорогі рідкісні метали. Новий спосіб замість одного рідкісного каталізатора використовує два доступних і недорогих речовини, соду і аміди. При цьому ефективність процесу порівнянна з найбільш результативними дорогими каталізаторами.
Крім низької вартості даний метод примітний і тим що аміак простіше зберігати і транспортувати в порівнянні з воднем. А в необхідний момент водень можна отримати з аміаку просто запустивши хімічну реакцію. За непідтвердженими поки прогнозами використання аміаку дозволить створити реактор об'ємом не більше 2-літрової пляшки, достатній для виробництва водню з аміаку в кількостях достатніх для використання автомобілем звичайних розмірів.
Аміак на даний момент транспортується в величезних кількостях і широко застосовується в якості добрива. Саме це хімічна речовина робить можливим вирощування практично половини їжі на Землі, і можливо в майбутньому стане одним з найважливіших джерел енергії для людства.
Сфера застосування
Водневі паливні елементи можуть застосовуватися практично в будь-якому виді транспорту, в стаціонарних джерелах енергії для будинків, а також в невеликих портативних, іноді кишенькових пристроях, для генерування електрики, що використовується іншими мобільними пристроями.
Ще в 70-х роках минулого століття водень почали застосовувати в NASA для виведення ракет і космічних шатлів на орбіту Землі. Водень використовується і пізніше для отримання електрики на шатлах, а також води і тепла в якості побічних продуктів реакції.
На поточний момент найбільші зусилля спрямовані на просування водню як палива в автомобільній індустрії.
Порівняння водневих і електричних автомобілів
Водень на обивательському рівні, як і раніше прийнято вважати небезпечним хімічним елементом. Ця репутація закріпилася за ним після краху дирижабля Гінденбург в 1937. Тим не менш Адміністрація з енергетичної інформації США (EIA) стверджує що в аспектах використання водню стосуються небажаних вибухів, цей елемент як мінімум так само безпечний як і бензин.
На поточний момент очевидно, що якщо не відбудеться черговий науково-технічної революції, то машини найближчого майбутнього будуть переважно або електричними, або водневими, або гібридними формами цих двох технологій і бензинових авто.
У кожного з варіантів розвитку автоіндустрії є свої переваги і недоліки. Заправні станції під водневе паливо набагато простіше зробити на базі поточних бензинових заправок, чого не можна сказати про інфраструктуру для Електричного «заряду» транспортних засобів.
У певному сенсі поділ на водневі і електричні автомобілі є штучним, оскільки в обох випадках машина використовує електрику для руху. Тільки в електрокарах воно заготовлено в більш звичній для нас формі безпосередньо в акумуляторах, а в паливних елементах речовина, яке в результаті реакції буде переводити хімічну енергію в електричну, можна додати в будь-який момент.
Заправка воднем за часом порівнянна з заправкою бензином, і займає кілька хвилин, а ось повний заряд електричних акумуляторів на поточний момент в кращому випадку проводиться за 20-40 хвилин. З іншого боку електромобілі володіють тією перевагою що їх можна підключати до розетки безпосередньо вдома, і якщо робити це вночі то можна економити на електро-тарифах.
екологічність
Оскільки ні електрику, ні водень не є природними джерелами енергії, на відміну від викопного палива, то на їх отримання необхідно затратити енергію. Джерело цієї енергії і стає вирішальним фактором у екологічності як водневих, так і електричних автомобілях.
Для отримання водню потрібно або тепло, або електричний струм, які в жарких і сонячних регіонах планети можуть бути отримані збором сонячної енергії. У холодних країнах, наприклад Скандинавії, вже зараз акцент робиться на більш відповідному для цього клімату джерелі зеленої енергії, на вітряних станціях, які з таким же успіхом можуть брати участь у виробництві водню за допомогою електролізу. Примітно що водень в такому випадку може використовуватися і для зберігання невикористаної енергії, наприклад при виробленні вночі.
З огляду на обов'язкову стадію отримання водню і електрики, нульовий рівень викидів таких автомобілів залежить від того яким способом була отримана первинна енергія. Саме тому між обома типами транспортних засобів дотримується паритет і жоден не можна зарахувати до більш екологічного засобу пересування.
шум
Нічию можна констатувати і порівнявши гучність цих видів транспорту. На відміну від традиційних, нові двигуни працюють набагато тихіше.
З цього приводу можна згадати відомий закон червоного прапора регулює поява перших автомобілів в 19 столітті. Згідно найжорсткішим формам цього закону транспортний засіб без коней не могло переміщатися в межах міста зі швидкістю перевищує 3.2 км / год. При цьому передбачаючи рух автомобіля за кілька хвилин до його появи по дорозі мав іти людина з червоним прапором, який попереджає про появу транспорту.
Закон червоного прапора був прийнятий у зв'язку з тим що нові транспортні засоби переміщувались щодо безшумно в порівнянні з каретами і могли стати причиною аварій і травм, принаймні на думку суддів того часу. Проблема, хоч і була перебільшена, але все ж через півтора століття ми можемо стати свідками нових подібних законів у зв'язку з безшумністю нових типів двигунів. Електрокари і авто на паливних елементах навряд чи працюють голосніше перших транспортних засобів, а ось швидкість їх переміщення в межах міста зараз явно вище 3 км, що робить їх потенційно небезпечними для пішоходів. У тій же Формула 1 зараз замислюються про посилення звуку моторів за допомогою штучної озвучення. Але якщо в автоперегонах це робиться для підвищення видовищності, то в нових автомобілях поява штучного джерела шуму може стати вимогою безпеки.
негативні температури
Автомобілі на паливних елементах, як і звичайні бензинові авто, відчувають певні проблеми на морозі. Всередині самих батарей може міститися невелика кількість води, замерзає при негативних температурах і приводить батареї в неробочий стан. Після прогріву батареї будуть працювати нормально, проте спочатку без зовнішнього обігріву, вони або не заводяться, або працюють деякий час на зниженій потужності.
дальність переміщення
Дистанція переміщення сучасних водневих авто становить приблизно 500 км, що помітно більше ніж у типових електрокарах, які нерідко можуть переміщатися лише на 150-200 км. Ситуація змінилася після появи Tesla Model S, однак навіть цей електрокар здатний переміщатися без дозарядки на відстань не більше 430 км.
ККД
Такі цифри досить несподівані якщо врахувати ККД відповідних типів двигунів. Для звичайних бензинових двигунів внутрішнього згоряння ККД становить приблизно 15%. ККД авто на паливних елементах - 50%. ККД електромобілів - 80%. На даний момент концерн General Electrics працює над паливними елементами з 65% ефективністю і стверджує що їх ККД може бути підвищений до 95%, що дозволять запасати до 10 МВт електричної енергії (після перетворення) в одному елементі.
Вага батарей і палива
Однак слабким місцем електрокарів є самі батареї. Наприклад в Tesla Model S вона важить 550 кг, а повна вага авто становить 2100 кг, що на пару сотень кілограм більше ваги аналогічного водневого транспортного засобу. Вага цієї батареї до того ж не зменшується в міру подолання дистанції, в той час як вироблене паливо в бензинових і водневих автомобілях поступово робить машину легше.
Виграють водневі елементи і в плані зберігання енергії в перерахунку на одиницю маси. У плані щільності енергії на одиницю об'єму водень не такий гарний. При звичайних умовах цей газ містить лише третина енергії метану в однаковому обсязі. Природно водень зберігається при транспортуванні і всередині паливних батарей в рідкому або стислому вигляді. Але навіть в цьому випадку кількість енергії (мегаджоуля) в одному літрі програє показниками бензину.
Сильні сторони водню виявляються при перерахунку енергії на одиницю ваги. У цьому випадку він вже в три рази перевершує бензин (143 МДж / кг проти 47 МДж / кг). Виграє водень за цим показником і у електричних батарей. При однаковій вазі водень має вдвічі більший запас енергії ніж електрична батарея.
Зберігання та транспортування
Певні труднощі виникають і при зберіганні водню. Найбільш ефективна форма для транспортування і зберігання цього хімічного елемента - рідкий стан. Однак домогтися переходу газу в рідку форму можна лише при температурі в -253 градуси Цельсія, що вимагає спеціальних контейнерів, устаткування і чималих фінансових витрат.
2015 рік
Toyota, Hyundai, Honda та інші виробники авто протягом багатьох років вкладали великі кошти в дослідження водневих паливних елементів і в 2015 році збираються представити перші автомобілі вартість і характеристики яких дозволять розглядати їх як альтернативу іншим видам транспорту. Машина на паливних елементах в 2015 році повинна бути середньорозмірним 4-дверним седаном з можливістю подолання як мінімум 500 км без дозаправок, які триватимуть не більше п'яти хвилин. Вартість такого авто повинна знаходитися в діапазоні від $ 50 тис до $ 100 тис. Таким чином вартість водневих авто знизилася на порядок протягом одного десятиліття.
Як повинно бути очевидно зі списку автовиробників, Японія стане одним з центрів розвитку водневих автомобілів. Цікаво що одним з головних ринків для цих авто стане територія відокремлена від Японії набагато більшу відстань ніж довколишній азіатський ринок.
Каліфорнія вже давно має репутацію одного з найбільш прогресивних місць на планеті Земля. Саме тут законодавство часто дає зелене світло новітніми технологіями і винаходів. Не стало винятком і просування автомобілів на альтернативному паливі.
Відповідно до прийнятого закону про транспортні засоби з нульовим викидом (ZEV - zero-emission vehicle) 2025 15% від всіх проданих автомобілів не повинні виробляти шкідливих викидів в атмосферу. Спільно з десятьма іншими штатами, які прийняли аналогічні закони, до 2025 року на дорогах США має перебувати близько 3.3 млн ZEV.
Незважаючи на те що підготовка до запуску нових автомобілів йде повним ходом, на перших етапах виробникам доведеться зіткнутися з серйозними інфраструктурними проблемами. Toyota виділила $ 200 млн на будівництво водневих заправних станцій на території Каліфорнії, проте цих коштів буде достатньо для створення лише двадцяти заправних точок в наступному році. Навіть без урахування велику вартість споруди, кількість заправок буде збільшуватися досить скромними темпами. У 2016 році їх число складе 40 штук, а в 2024 - 100 штук.
Такі розмірені терміни спорудження можна легко пояснити тим що провести навіть невелику технологічну революцію за один рік практично неможливо. 2015 рік позначений у календарі як рік початку розвитку водневої автоіндустрії, однак справжню конкуренцію машини на паливних елементах зможуть скласти своїм конкурентам швидше за все лише з появою другого покоління більш недорогих і надійних моделей, які очікуються до 2020 року, і з'являться на дорогах з уже більш- менш розвиненою мережею дозаправочная станцій.
Незважаючи на велику кількість японських імен серед виробників водневих авто, цікавляться цим видом транспорту на інших континентах. Серед відомих виробників водневі плани є у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.
підсумки
Як це часто буває, світ не ділиться на біле і чорне, і водень не стане єдиним джерелом енергії в майбутньому. Цей елемент спільно з іншими альтеранітвнимі джерелами енергії стане частиною вирішення проблеми забруднення навколишнього середовища і зникнення природних копалин ресурсів. Перспектива даного виду палива і водневих автомобілів почне прояснюватися в 2015 році з появою перших масових авто на дорогах. Наскільки вони зможуть конкурувати з електромобілями ми швидше за все дізнаємося в 2020 році у міру подальшого розвитку технологій і появи другого покоління паливних авто.