Катастрофа дирижабля «Гінденбург» не лише забрала життя 36 людей у Лейкхерсті, Нью-Джерсі, 6 травня 1937 року. Вона на десятиліття підірвала довіру громадськості до водню. Цей дирижабль був наповнений газом. Водень – найпростіший елемент у Всесвіті: один протон, один електрон, найлегший атом. Він також має руйнівну силу. Коли ви змішуєте це найлегше паливо з киснем і додаєте іскру, відбувається величезний викид енергії. Суспільство побачило цей викид енергії у вигляді вогню та понівеченого металу.
Запанував страх. “Фактор страху перед воднем” став постійним елементом культурної свідомості. Довгий час ніхто не хотів навіть підходити до цієї речовини ближче ніж на десять футів.
Наразі ми стикаємося з іншим видом кризи. Запаси нафти виснажуються. Викиди задимляють небо. Енергетичні дослідники з новим інтересом повертаються до водню. Він обіцяє бути чистою альтернативою. Жодних парникових газів. Тільки водяна пара і тепло як побічні продукти. Він має найвище енерговиділення на одиницю ваги серед усіх доступних видів палива. Його також багато. Його можна отримати із природного газу або витягти з води шляхом електролізу.
Але є нюанс. Ми все ще запитуємо себе: чи дійсно автомобілі на водневих паливних елементах безпечні? І що ще важливіше, як взагалі ними користуватись? Технологія існує, але перешкоди дуже серйозні.
Проблема зберігання
Головна проблема полягає не у виробництві водню, а у його зберіганні. Щоб автомобіль на водні міг проїхати хоч якусь значну відстань, потрібна велика кількість газу. Стиснення водню потребує величезного тиску. Більшість сучасних систем стискають газ до 700 бар. Це приблизно 10000 фунтів на квадратний дюйм.
Поводження з таким тиском створює нові ризики. Ви маєте справу не просто із пальним газом. Ви маєте справу зі стиснутим вибуховим пристроєм. Баки мають бути неймовірно міцними. Стандартним рішенням сьогодні є пластикова внутрішня оболонка, обернена вуглецевим волокном. Це дорого. Це тяжко. І це складно робити у промислових масштабах.
Заправка та інфраструктура
Де заправлятись? Станцій водневої заправки практично немає. Мережа рідкісна. Ви можете знайти заправку в Каліфорнії, можливо, у Японії чи Німеччині. Але у більшості країн світу ви залишитеся ні з чим. Ця прогалина в інфраструктурі створює проблему «курки та яйця». Люди не купуватимуть автомобілів без заправок. Компанії не будуватимуть станції без автомобілів.
Будівництво станцій коштує дорого. Насоси повинні безпечно заправляти під високим тиском. Їм потрібні спеціалізовані системи безпеки, які не потрібні на звичайних АЗС. Вартість будівництва однієї водневої станції може обчислюватись мільйонами доларів. Порівняйте це із вартістю звичайного бензоколонки або навіть зарядної станції для електромобілів.
Питання ефективності
Потім йде дискусія щодо ефективності. Автомобілі на водневих паливних елементах часто рекламуються як екологічніші, ніж електромобілі на батареях (BEV). Але математика стає незрозумілою. Спочатку потрібно зробити водень. Електроліз використовує електроенергію для розщеплення води. Цей процес супроводжується втратами енергії. Потім його потрібно стиснути. Потім транспортувати. Потім помістити в паливний елемент, щоб знову перетворити на електрику для приводу двигуна.
Кожен етап додає втрат. Електромобілі заряджаються безпосередньо. Менше етапів перетворення. Найменше втрат енергії. Водневі паливні елементи пропонують іншу перевагу – швидку заправку та велику дальність ходу. Але загальна
Водень – це не джерело енергії. Це носій.
Згадайте електрику. Ви не можете спалювати електрони в поршні. Але ви генеруєте електрику, спалюючи вугілля, газ чи нафту. Ця електрика надходить до вашої розетки. Водень працює аналогічним чином: він зберігає енергію, створену у процесі виробництва.
Ця різниця має значення, тому що для отримання водню потрібно витратити енергію. Нам потрібно вкласти енергію, щоб одержати її назад.
Порівняйте це з нафтою. Для видобутку нафти потрібне буріння. Насосне відкачування. Переробка. Доставка. Це заплутаний, політично напружений ланцюжок поставок. Водень дозволяє виробляти паливо локально. Він дозволяє оминути геополітичні конфлікти, пов’язані з нафтовими резервами.
Проблема метану
Поточним стандартом є реформінг. Зокрема реформування метану.
Ми спалюємо природний газ, щоб відокремити водень від вуглеводнів. Це найжиттєздатніший метод на сьогоднішній день. Він також є брудним.
Ми знову повертаємося до вихідної точки щодо викидів парникових газів (ПГ). Автомобіль не викидає нічого із вихлопної труби. Але виробничий процес спалює викопне паливо. Він виділяє парникові гази. Передача енергії є чистою. Створення – ні.
Шляхи чистого виробництва
Чиста електрика існує. Гідроенергетика. Вітрова енергія. Сонячна енергія.
Водень можна виробляти так само. Дослідники тестують електроліз, що живиться від поновлюваних джерел. Деякі групи навіть використовують мікроби, які харчуються водоростями. Мікроби виділяють водень як відходи.
Ці методи повністю уникають спалювання викопного палива. Вони все ще оцінюються щодо надійності. Але вони пропонують шлях до справжнього чистого палива.
Як працюють паливні елементи
Автомобільні інженери створили водневі паливні елементи, щоб вирішити проблему зберігання та використання.
Ці елементи використовують електрохімічне перетворення. Водень розщеплюється. Протони та електрони поділяються. Цей поділ генерує електрику.
Електрони протікають через зовнішній ланцюг. Це надає руху двигуну. Протони та електрони знову поєднуються з киснем. Єдиним побічним продуктом є вода.
Один елемент не виробляє достатньо енергії для седана. Інженери об’єднують їх у стеки. Стеки паливних елементів збільшують напругу та силу струму. Зібравши достатню кількість стеків разом, автомобіль починає рухатись.
Проблеми зберігання
Зберігання водню в автомобілі є вузьким місцем.
Існує два методи. Газ під високим тиском. Або екстремально холодна рідина. Кріогенний водень.
Балони з газом під тиском працюють на заправних станціях. Вони важкі. Громіздкі.
Рідкий водень вимагає бортової системи підтримки його у замороженому стані. Ця система додає вагу. Вага знижує ефективність. Транспортному засобу доводиться постійно перевозити інфраструктуру, що охолоджує. Це непрактично для сучасних споживчих автомобілів.
Фактор страху
Дослідження продовжуються. Інженери оптимізують зберігання. Вони удосконалюють стеки елементів.
Але є людський чинник. Страх суспільства.
Люди уявляють водень як бензин. Вибухонебезпечний. Летючий. Вони уявляють, як легка ДТП перетворює їхній автомобіль на кулю білого полум’я.
Наука може освоїти фізику процесу. Але якщо водії відмовляться купувати автомобіль, бо думають, що він вибухне, технологія зазнає невдачі. Наступний крок – це не лише інженерія. Це психологія.
Чому водень насправді безпечніший за бензин
Страх перед воднем багато в чому є історичною спадщиною. На практиці водень часто безпечніший від вуглецевих видів палива, які зараз заливаються в наші бензобаки. Рідкий бензин проливається та розтікається. Він прилипає. При запаленні він утворює гарячу золу та виділяє інтенсивне теплове випромінювання, яке спалює все навколо. Водень так не робить. Чистий водень горить без вуглецю, не утворюючи гарячої золи та виділяючи дуже мало теплового випромінювання.
Йому також допомагає фізика. Якщо водень витікає, він накопичується землі. Він швидко піднімається в атмосферу. У нього менше часу на накопичення та займання порівняно з важчим паливом, таким як пропан або пари бензину.
Розвінчання міфу про Гінденбург
І прихильники, і супротивники водневого палива посилаються на катастрофу дирижабля Гінденбург. Противники називають її застережливою історією. Прихильники стверджують, що вона, навпаки, виправдовує водень.
Катастрофа була викликана самим воднем. Її причиною став алюмінієвий порошок, що покривав оболонку дирижабля для відбиття сонячних променів – матеріал, еквівалентний ракетному паливу. Бавовняна тканина була просочена високогорючим ацетатом. Коли вогонь почав розповсюджуватися, полум’я водню горіло вгору, бо цей газ настільки легкий. Це залишило пасажирів унизу відносно неушкодженими. Тридцять п’ять із 36 загиблих стали жертвами, вистрибнувши з дирижабля. Усі, хто залишився на борту, вижили.
Проблема зберігання: сталь проти композитів
Реальна проблема полягає не в безпеці при використанні. Вона у зберіганні. Нам потрібні баки, які не стануть застережливою історією у разі аварії. Який бак найкраще запобігає вибуху водню при автомобільній аварії?
Сталь – один із варіантів. Такі баки є досить міцними, щоб надійно транспортувати газоподібний водень. При аварії сталевий бак може витримати удар без проколу чи розриву. Але є нюанс. Водень легкий та менш щільний, ніж бензин. Щоб вмістити достатню кількість палива для прийнятного пробігу, сталевий бак повинен бути набагато більшим за звичайний бензобак. Він також буде тяжким. Ця вага вбиває енергоефективність.
Передові матеріали та металеві гідриди
Композитні матеріали виглядають перспективнішими, ніж сталь. Баки з поліетилену легкі та можуть бути відформовані відповідно до шасі автомобіля. Вони спроектовані так, щоб “руйнуватися в порошок” – поглинати енергію удару, перетворюючись на пил, тим самим безпечно випускаючи водень в атмосферу.
Зрештою водень може зберігатися в матеріалах, які захоплюють цей елемент і виділяють його лише за необхідності. Металеві гідриди — одна з таких технологій. Певні метали захоплюють молекули водню всередині своїх структурних ґрат. Водень залишається у безпеці, доки метал не нагріється, після чого він виділяє газ. Це особливо привабливо, тому що тепло, необхідне виділення водню, може надходити з відпрацьованого тепла, вироблюваного самим паливним елементом.
“Фактор страху перед воднем” не зупиняє дослідження. Якщо світ дійсно вичерпує запаси нафти, ці страхи, можливо, доведеться залишити осторонь. Технологія розвивається, але інфраструктура все ще наздоганяє її.
Ще більше інформації
Статті HowStuffWorks по темі
- Вікторина з паливних елементів
- Як працює воднева економіка
- Як працюють паливні елементи
- Як працюють дирижаблі
- Як працюють електромобілі
- Альтернативне паливо
Додаткові корисні посилання
- Домашня сторінка Міністерства енергетики США з питань енергоефективності та відновлюваної енергії (EERE)
- Інститут Скелястих гір (Rocky Mountain Institute)
- Радіопередача про катастрофу «Гінденбурга» у Національному архіві
Джерела
- Едвардс, Пітер П. “Наш страх перед водневими заправними станціями”. The Times. 21 квітня 2008 р.
– Крушельницький, Карл С. «Гінденбург і водень». Australian Broadcasting Company. 2004 р. - Мерфі, Крістіан. «Розрізнення джерел енергії та носіїв». Споживча енергетична рада Америки. 30 липня 2003 р.
- “Транспортні засоби на паливних елементах”. Комісія з енергетики Каліфорнії.
- “Зберігання палива”. Прінстонський університет.
- «Як вони працюють: паливні елементи із протонообмінною мембраною (PEM)». Fuel Economy.gov.
- «Факти про водень». Споживча енергетична рада Америки. 2003 р.
- «Виробництво та доставка водню». Національна лабораторія поновлюваної енергії. 1 червня 2007 р.
- «Чи небезпечний водень?». Інститут Скелястих гір.
- «Металеві гідриди». Міністерство енергетики США 6 листопада 2006 р.
- «Сцени з пекла: Герберт Моррісон – катастрофа «Гінденбурга», 1937». Національний архів.
