W katastrofie sterowca Hindenburg nie tylko zginęło 36 osób w Lakehurst w stanie New Jersey 6 maja 1937 r., ale na dziesięciolecia nadszarpnęła zaufanie społeczne do wodoru. Ten sterowiec był dosłownie wypełniony gazem. Wodór to najprostszy pierwiastek we Wszechświecie: jeden proton, jeden elektron, najlżejszy atom. Ma także niszczycielską moc. Kiedy zmieszasz to najlżejsze paliwo z tlenem i dodasz iskrę, nastąpi ogromne uwolnienie energii. Społeczeństwo widziało to uwolnienie energii w postaci ognia i skręconego metalu.
Panował strach. „Czynnik strachu przed wodorem” na stałe zadomowił się w świadomości kulturowej. Przez długi czas nikt nie chciał nawet zbliżyć się do tej substancji na odległość mniejszą niż trzy metry.
Obecnie stoimy w obliczu innego rodzaju kryzysu. Zasoby ropy się wyczerpują. Emisje zadymiają niebo. Badacze zajmujący się energią powracają do wodoru z ponownym zainteresowaniem. Zapewnia, że będzie to czysta alternatywa. Żadnych gazów cieplarnianych. Jako produkty uboczne stosuje się jedynie parę wodną i ciepło. Ma najwyższą wydajność energetyczną na jednostkę masy ze wszystkich dostępnych paliw. Jest go też mnóstwo. Można go otrzymać z gazu ziemnego lub ekstrahować z wody metodą elektrolizy.
Ale jest niuans. Wciąż zadajemy sobie pytanie: czy samochody z ogniwami wodorowymi są naprawdę bezpieczne? I co ważniejsze, jak z nich w ogóle korzystać? Technologia istnieje, ale przeszkody są znaczące.
Problem z przechowywaniem
Głównym problemem nie jest produkcja wodoru, ale jego magazynowanie. Aby samochód wodorowy mógł przejechać jakikolwiek znaczący dystans, potrzebna jest duża ilość gazu. Sprężanie wodoru wymaga ogromnego ciśnienia. Większość nowoczesnych systemów spręża gaz do ciśnienia 700 barów. Jest to około 10 000 psi.
Radzenie sobie z taką presją stwarza nowe ryzyko. Nie masz do czynienia tylko z łatwopalnym gazem. Masz do czynienia ze sprężonym urządzeniem wybuchowym. Zbiorniki muszą być niesamowicie trwałe. Standardowym rozwiązaniem jest dziś plastikowa skorupa wewnętrzna owinięta włóknem węglowym. To jest drogie. To trudne. A jego produkcja na skalę przemysłową jest trudna.
Tankowanie i infrastruktura
Gdzie tankować? Stacji tankowania wodoru praktycznie nie ma. Sieć jest rzadka. Stację benzynową możesz znaleźć w Kalifornii, być może w Japonii lub Niemczech. Ale w większości krajów świata zostaniesz z niczym. Ta luka w infrastrukturze stwarza problem „kury i jajka”. Ludzie nie będą kupować samochodów bez stacji benzynowych. Firmy nie będą budować stacji bez samochodów.
Budowa stacji jest kosztowna. Pompy muszą umożliwiać bezpieczne ładowanie pod wysokim ciśnieniem. Wymagają specjalistycznych systemów bezpieczeństwa, które nie są potrzebne na konwencjonalnych stacjach benzynowych. Koszt budowy jednej stacji wodorowej może sięgać milionów dolarów. Porównaj to z kosztem zwykłej stacji benzynowej lub nawet stacji ładowania pojazdów elektrycznych.
Kwestia wydajności
Następnie toczy się debata na temat efektywności. Pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi są często reklamowane jako bardziej ekologiczne niż pojazdy elektryczne zasilane akumulatorami (BEV). Ale matematyka staje się niejasna. Najpierw trzeba wyprodukować wodór. Elektroliza wykorzystuje energię elektryczną do podziału wody. Procesowi temu towarzyszą straty energii. Następnie musisz go skompresować. Następnie transport. Następnie umieszcza się je w ogniwie paliwowym, aby ponownie je przekształcić w energię elektryczną napędzającą silnik.
Każdy etap dodaje straty. Pojazdy elektryczne ładowane są bezpośrednio. Mniej kroków konwersji. Mniejsze straty energii. Wodorowe ogniwa paliwowe mają jeszcze jedną zaletę – szybsze tankowanie i większy zasięg. Ale generał
Wodór nie jest źródłem energii. To jest przewoźnik.
Pomyśl o elektryczności. Nie można spalić elektronów w tłoku. Ale wytwarzasz energię elektryczną, spalając węgiel, gaz lub ropę naftową. Ten prąd płynie do Twojego gniazdka. Wodór działa w podobny sposób: magazynuje energię powstałą w procesie produkcyjnym.
Ta różnica ma znaczenie, ponieważ produkcja wodoru wymaga energii. Musimy włożyć energię, aby ją odzyskać.
Porównaj to z olejem. Aby wydobyć ropę, konieczne jest wiercenie. Pompowanie. Recykling. Dostawa. To zagmatwany, naładowany politycznie łańcuch dostaw. Wodór pozwala na lokalną produkcję paliwa. Pozwala ominąć konflikty geopolityczne związane z zasobami ropy.
Problem z metanem
Obecnym standardem jest reforma. W szczególności reforming metanu.
Spalamy gaz ziemny, aby oddzielić wodór od węglowodorów. Jest to obecnie najbardziej opłacalna metoda. Jest też brudno.
Wróciliśmy do punktu wyjścia, jeśli chodzi o emisję gazów cieplarnianych (GHG). Samochód nie emituje nic z rury wydechowej. Ale w procesie produkcyjnym spalane są paliwa kopalne. Emituje gazy cieplarniane. Transfer energii jest czysty. Stworzenie nie.
Czystsze ścieżki produkcyjne
Czysta energia elektryczna istnieje. Energia wodna. Energia wiatrowa. Energia słoneczna.
Wodór można wytwarzać w ten sam sposób. Naukowcy testują elektrolizę zasilaną ze źródeł odnawialnych. Niektóre grupy używają nawet drobnoustrojów żywiących się glonami. Mikroorganizmy wytwarzają wodór jako odpad.
Metody te pozwalają całkowicie uniknąć spalania paliw kopalnych. Nadal są oceniane pod kątem niezawodności. Oferują jednak drogę do naprawdę czystych paliw.
Jak działają ogniwa paliwowe
Inżynierowie motoryzacyjni stworzyli wodorowe ogniwa paliwowe, aby rozwiązać problem przechowywania i użytkowania.
Ogniwa te wykorzystują konwersję elektrochemiczną. Wodór ulega rozkładowi. Protony i elektrony oddzielają się. To oddzielenie generuje energię elektryczną.
Elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny. To napędza silnik. Protony i elektrony ponownie łączą się z tlenem. Jedynym produktem ubocznym jest woda.
Jeden element nie wytwarza wystarczającej ilości energii dla sedana. Inżynierowie łączą je w stosy. Stosy ogniw paliwowych zwiększają napięcie i prąd. Po zebraniu wystarczającej liczby stosów samochód zaczyna się poruszać.
Problemy z przechowywaniem
Magazynowanie wodoru w samochodzie stanowi wąskie gardło.
Istnieją dwie metody. Gaz pod wysokim ciśnieniem. Lub wyjątkowo zimny płyn. Wodór kriogeniczny.
Na stacjach benzynowych używane są butle z gazem pod ciśnieniem. Są ciężkie. Gruby.
Ciekły wodór wymaga systemu pokładowego, który utrzymuje go w stanie zamrożonym. Ten system zwiększa wagę. Waga zmniejsza wydajność. Pojazd musi stale przewozić infrastrukturę chłodniczą. Jest to niepraktyczne w przypadku nowoczesnych pojazdów konsumenckich.
Czynnik strachu
Badania trwają. Inżynierowie optymalizują przechowywanie. Poprawiają stosy elementów.
Ale jest czynnik ludzki. Strach przed społeczeństwem.
Ludzie myślą o wodorze jak o benzynie. Materiał wybuchowy. Lotny. Wyobrażają sobie, jak drobny wypadek zamienia ich samochód w kulę białego płomienia.
Nauka może opanować fizykę procesu. Jeśli jednak kierowcy odmówią zakupu samochodu, bo myślą, że eksploduje, technologia zawiedzie. Następny krok to nie tylko inżynieria. To jest psychologia.
Dlaczego wodór jest w rzeczywistości bezpieczniejszy niż benzyna
Strach przed wodorem jest w dużej mierze dziedzictwem historycznym. W praktyce wodór jest często bezpieczniejszy niż paliwa węglowe wlewane obecnie do naszych zbiorników z gazem. Rozlewa się i rozprzestrzenia płynna benzyna. To się klei. Po zapaleniu tworzy gorący popiół i uwalnia intensywne promieniowanie cieplne, które spala wszystko wokół. Wodór tego nie robi. Czysty wodór spala się bez węgla, nie wytwarzając gorącego popiołu i wytwarzając bardzo mało promieniowania cieplnego.
Pomaga mu także fizyka. Jeśli wodór ulatnia się, nie gromadzi się na ziemi. Szybko unosi się w atmosferze. Ma krótszy czas gromadzenia się i zapalenia w porównaniu do cięższych paliw, takich jak propan czy opary benzyny.
Obalanie mitu Hindenburga
Zarówno zwolennicy, jak i przeciwnicy paliwa wodorowego nawiązują do katastrofy sterowca Hindenburg. Przeciwnicy nazywają to przestrogą. Zwolennicy twierdzą, że wręcz przeciwnie, uzasadnia to wodór.
Katastrofy nie spowodował sam wodór. Było to spowodowane pyłem aluminiowym, który pokrył kadłub sterowca, odbijając światło słoneczne – materiał równoważny paliwu rakietowemu. Tkaninę bawełnianą zaimpregnowano wysoce łatwopalnym octanem. Gdy ogień zaczął się rozprzestrzeniać, płomień wodorowy palił się w górę, ponieważ gaz był bardzo lekki. To pozostawiło pasażerów poniżej stosunkowo bez szwanku. Trzydziestu pięciu z 36 zabitych było ofiarami skoków ze sterowca. Wszyscy, którzy pozostali na pokładzie, przeżyli.
Wyzwanie dotyczące przechowywania: stal kontra kompozyty
Prawdziwym problemem nie jest bezpieczeństwo użytkowania. Jest w magazynie. Potrzebujemy czołgów, które w razie wypadku nie staną się przestrogą. Który zbiornik najlepiej zapobiega wybuchowi wodoru w wypadku samochodowym?
Stal jest jedną z opcji. Zbiorniki te są wystarczająco mocne, aby niezawodnie transportować wodór. W razie wypadku stalowy zbiornik może wytrzymać uderzenie bez przebicia lub pęknięcia. Ale jest niuans. Wodór jest lekki i mniej gęsty niż benzyna. Aby pomieścić wystarczającą ilość paliwa na rozsądny przebieg, stalowy zbiornik musi być znacznie większy niż konwencjonalny zbiornik gazu. Będzie też ciężko. Ta waga zabija efektywność energetyczną.
Zaawansowane materiały i wodorki metali
Materiały kompozytowe wyglądają bardziej obiecująco niż stal. Zbiorniki polietylenowe są lekkie i można je formować tak, aby pasowały do podwozia pojazdu. Mają za zadanie rozbić się na proszek – pochłaniając energię uderzenia, zamieniając się w pył, tym samym bezpiecznie uwalniając wodór do atmosfery.
Docelowo wodór można przechowywać w materiałach, które wychwytują pierwiastek i uwalniają go tylko w razie potrzeby. Wodorki metali to jedna z takich technologii. Niektóre metale zatrzymują cząsteczki wodoru w swojej siatce strukturalnej. Wodór pozostaje bezpieczny do czasu nagrzania metalu, kiedy to następuje uwolnienie gazu. Jest to szczególnie atrakcyjne, ponieważ ciepło potrzebne do uwolnienia wodoru może pochodzić z ciepła odpadowego wytwarzanego przez samo ogniwo paliwowe.
„Czynnik strachu przed wodorem” nie powstrzymuje badań. Jeśli na świecie rzeczywiście zabraknie ropy, być może trzeba będzie odłożyć na bok te obawy. Technologia się rozwija, ale infrastruktura wciąż nadrabia zaległości.
Jeszcze więcej informacji
Powiązane artykuły z HowStuffWorks
- Quiz dotyczący ogniw paliwowych
- Jak działa gospodarka wodorowa?
- Jak działają ogniwa paliwowe?
- Jak działają sterowce?
- Jak działają samochody elektryczne?
- Paliwo alternatywne
Dodatkowe przydatne linki
- Strona główna Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej (EERE).
- Instytut Gór Skalistych
- Transmisja radiowa katastrofy Hindenburga w Archiwum Narodowym
Źródła
- Edwards, Peter P. „Nasz strach przed stacjami tankowania wodoru”. „Czasy”. 21 kwietnia 2008
- Kruszelnicki, Karl S. „Hindenburg i wodór”. Australijska firma nadawcza. 2004
- Murphy, Chrześcijanin. „Rozróżnianie źródeł i nośników energii”. Amerykańska Rada ds. Energii Konsumenckiej. 30 lipca 2003
- „Pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi”. Kalifornijska Komisja Energetyczna.
- „Przechowywanie paliwa”. Uniwersytet Princeton.
- „Jak one działają: ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM).” FuelEconomy.gov.
- „Fakty o wodorze”. Amerykańska Rada ds. Energii Konsumenckiej. 2003
- „Produkcja i dostawa wodoru”. Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej. 1 czerwca 2007
- „Czy wodór jest niebezpieczny?” Instytut Gór Skalistych.
- „Wodorki metali”. Departament Energii USA. 6 listopada 2006
- Sceny z piekła: Herbert Morrison – Katastrofa Hindenburga, 1937. Archiwum Narodowe.
