Катастрофа дирижабля «Гинденбург» не только унесла жизни 36 человек в Лейкхерсте, Нью-Джерси, 6 мая 1937 года. Она на десятилетия подорвала доверие общественности к водороду. Этот дирижабль буквально был наполнен газом. Водород — простейший элемент во Вселенной: один протон, один электрон, самый легкий атом. Он также обладает разрушительной силой. Когда вы смешиваете это самое легкое топливо с кислородом и добавляете искру, происходит колоссальный выброс энергии. Общество увидело этот выброс энергии в виде огня и искореженного металла.
Воцарился страх. «Фактор страха перед водородом» стал постоянным элементом культурного сознания. Долгое время никто не хотел даже подходить к этому веществу ближе, чем на десять футов.
Сейчас мы сталкиваемся с другим видом кризиса. Запасы нефти истощаются. Выбросы задымляют небо. Энергетические исследователи с новым интересом возвращаются к водороду. Он обещает быть чистой альтернативой. Никаких парниковых газов. Только водяной пар и тепло в качестве побочных продуктов. Он обладает самым высоким энерговыделением на единицу веса среди всех доступных видов топлива. Его также много. Его можно получить из природного газа или извлечь из воды путем электролиза.
Но есть нюанс. Мы все еще задаемся вопросом: действительно ли автомобили на водородных топливных элементах безопасны? И что еще важнее, как вообще ими пользоваться? Технология существует, но препятствия весьма серьезны.
Проблема хранения
Главная проблема заключается не в производстве водорода, а в его хранении. Чтобы автомобиль на водороде мог проехать хоть какое-то значимое расстояние, нужно большое количество газа. Сжатие водорода требует огромного давления. Большинство современных систем сжимают газ до 700 бар. Это примерно 10 000 фунтов на квадратный дюйм.
Обращение с таким давлением создает новые риски. Вы имеете дело не просто с горючим газом. Вы имеете дело со сжатым взрывчатым устройством. Баки должны быть невероятно прочными. Стандартным решением сегодня является пластиковая внутренняя оболочка, обернутая углеродным волокном. Это дорого. Это тяжело. И это сложно производить в промышленных масштабах.
Заправка и инфраструктура
Где заправляться? Станций водородной заправки практически нет. Сеть редка. Вы можете найти заправку в Калифорнии, возможно, в Японии или Германии. Но в большинстве стран мира вы останетесь ни с чем. Этот пробел в инфраструктуре создает проблему «курицы и яйца». Люди не будут покупать автомобили без заправок. Компании не будут строить станции без автомобилей.
Строительство станций обходится дорого. Насосы должны безопасно осуществлять заправку под высоким давлением. Им требуются специализированные системы безопасности, которые не нужны на обычных АЗС. Стоимость строительства одной водородной станции может исчисляться миллионами долларов. Сравните это со стоимостью обычного бензоколонки или даже зарядной станции для электромобилей.
Вопрос эффективности
Затем идет дискуссия об эффективности. Автомобили на водородных топливных элементах часто рекламируются как более экологичные, чем электромобили на батареях (BEV). Но математика становится неясной. Сначала нужно произвести водород. Электролиз использует электричество для расщепления воды. Этот процесс сопровождается потерями энергии. Затем его нужно сжать. Затем транспортировать. Затем поместить в топливный элемент, чтобы снова превратить в электричество для привода двигателя.
Каждый этап добавляет потери. Электромобили заряжаются напрямую. Меньше этапов преобразования. Меньше потерь энергии. Водородные топливные элементы предлагают другое преимущество — быструю заправку и большую дальность хода. Но общая
Водород — это не источник энергии. Это носитель.
Вспомните электричество. Вы не можете сжигать электроны в поршне. Но вы генерируете электричество, сжигая уголь, газ или нефть. Это электричество поступает к вашей розетке. Водород работает аналогичным образом: он хранит энергию, созданную в процессе производства.
Это различие имеет значение, потому что для получения водорода требуется затратить энергию. Нам нужно вложить энергию, чтобы получить её обратно.
Сравните это с нефтью. Для добычи нефти требуется бурение. Насосная откачка. Переработка. Доставка. Это запутанная, политически напряженная цепочка поставок. Водород позволяет производить топливо локально. Он позволяет обойти геополитические конфликты, связанные с нефтяными резервами.
Проблема метана
Текущим стандартом является реформинг. В частности, реформинг метана.
Мы сжигаем природный газ, чтобы отделить водород от углеводородов. Это самый жизнеспособный метод на сегодняшний день. Он также является грязным.
Мы снова возвращаемся к исходной точке в отношении выбросов парниковых газов (ПГ). Автомобиль не выбрасывает ничего из выхлопной трубы. Но производственный процесс сжигает ископаемое топливо. Он выделяет парниковые газы. Передача энергии чистая. Создание — нет.
Пути чистого производства
Чистое электричество существует. Гидроэнергетика. Ветровая энергия. Солнечная энергия.
Водород можно производить таким же образом. Исследователи тестируют электролиз, питаемый от возобновляемых источников. Некоторые группы даже используют микробы, питающиеся водорослями. Микробы выделяют водород в качестве отходов.
Эти методы полностью избегают сжигания ископаемого топлива. Они все еще оцениваются на предмет надежности. Но они предлагают путь к по-настоящему чистому топливу.
Как работают топливные элементы
Автомобильные инженеры создали водородные топливные элементы, чтобы решить проблему хранения и использования.
Эти элементы используют электрохимическое преобразование. Водород расщепляется. Протоны и электроны разделяются. Это разделение генерирует электричество.
Электроны протекают через внешнюю цепь. Это приводит в движение двигатель. Протоны и электроны снова объединяются с кислородом. Единственным побочным продуктом является вода.
Один элемент не вырабатывает достаточно энергии для седана. Инженеры объединяют их в стеки. Стеки топливных элементов увеличивают напряжение и силу тока. Собрав достаточное количество стеков вместе, автомобиль начинает двигаться.
Проблемы хранения
Хранение водорода в автомобиле является узким местом.
Существует два метода. Газ под высоким давлением. Или экстремально холодкая жидкость. Криогенный водород.
Баллоны с газом под давлением работают на заправочных станциях. Они тяжелые. Громоздкие.
Жидкий водород требует бортовой системы для поддержания его в замороженном состоянии. Эта система добавляет вес. Вес снижает эффективность. Транспортному средству приходится постоянно перевозить охлаждающую инфраструктуру. Это непрактично для современных потребительских автомобилей.
Фактор страха
Исследования продолжаются. Инженеры оптимизируют хранение. Они совершенствуют стеки элементов.
Но есть человеческий фактор. Страх общества.
Люди представляют себе водород как бензин. Взрывоопасный. Летучий. Они представляют себе, как легкое ДТП превращает их автомобиль в шар белого пламени.
Наука может освоить физику процесса. Но если водители откажутся покупать автомобиль, потому что думают, что он взорвется, технология потерпит неудачу. Следующий шаг — это не только инженерия. Это психология.
Почему водород на самом деле безопаснее бензина
Страх перед водородом во многом является историческим наследием. На практике водород часто безопаснее углеродных видов топлива, которые сейчас заливаются в наши бензобаки. Жидкий бензин проливается и растекается. Он прилипает. При воспламенении он образует горячую золу и выделяет интенсивное тепловое излучение, которое сжигает все вокруг. Водород так не делает. Чистый водород горит без углерода, не образуя горячей золы и выделяя очень мало теплового излучения.
Ему также помогает физика. Если водород утекает, он не скапливается на земле. Он быстро поднимается в атмосферу. У него меньше времени на накопление и возгорание по сравнению с более тяжелым топливом, таким как пропан или пары бензина.
Развенчание мифа о Гинденбурге
И сторонники, и противники водородного топлива ссылаются на катастрофу дирижабля «Гинденбург». Противники называют ее предостерегающей историей. Сторонники же утверждают, что она, наоборот, оправдывает водород.
Катастрофа не была вызвана самим водородом. Ее причиной стал алюминиевый порошок, покрывавший оболочку дирижабля для отражения солнечных лучей — материал, эквивалентный ракетному топливу. Хлопчатобумажная ткань была пропитана высокогорючим ацетатом. Когда огонь начал распространяться, пламя водорода горело вверх, потому что этот газ настолько легкий. Это оставило пассажиров внизу относительно невредимыми. Тридцать пять из 36 погибших стали жертвами, выпрыгнув из дирижабля. Все, кто остался на борту, выжили.
Проблема хранения: сталь против композитов
Реальная проблема заключается не в безопасности при использовании. Она в хранении. Нам нужны баки, которые не станут предостерегающей историей в случае аварии. Какой бак лучше всего предотвращает взрыв водорода при автомобильной аварии?
Сталь — один из вариантов. Такие баки достаточно прочны, чтобы надежно транспортировать газообразный водород. При аварии стальной бак может выдержать удар без прокола или разрыва. Но есть нюанс. Водород легкий и менее плотный, чем бензин. Чтобы вместить достаточное количество топлива для приемлемого пробега, стальной бак должен быть намного больше обычного бензобака. Он также будет тяжелым. Этот вес убивает энергоэффективность.
Передовые материалы и металлические гидриды
Композитные материалы выглядят более перспективными, чем сталь. Баки из полиэтилена легкие и могут быть отформованы в соответствии с шасси автомобиля. Они спроектированы так, чтобы разрушаться в порошок — поглощать энергию удара, превращаясь в пыль, тем самым безопасно выпуская водород в атмосферу.
В конечном итоге водород может храниться в материалах, которые захватывают этот элемент и выделяют его только при необходимости. Металлические гидриды — одна из таких технологий. Определенные металлы захватывают молекулы водорода внутри своей структурной решетки. Водород остается в безопасности, пока металл не нагреется, после чего он выделяет газ. Это особенно привлекательно, потому что тепло, необходимое для выделения водорода, может поступать из отработанного тепла, вырабатываемого самим топливным элементом.
«Фактор страха перед водородом» не останавливает исследования. Если мир действительно исчерпывает запасы нефти, эти страхи, возможно, придется оставить в стороне. Технология развивается, но инфраструктура все еще догоняет ее.
Еще больше информации
Статьи HowStuffWorks по теме
- Викторина по топливным элементам
- Как работает водородная экономика
- Как работают топливные элементы
- Как работают дирижабли
- Как работают электромобили
- Альтернативное топливо
Дополнительные полезные ссылки
- Домашняя страница Министерства энергетики США по вопросам энергоэффективности и возобновляемой энергии (EERE)
- Институт Скалистых гор (Rocky Mountain Institute)
- Радиопередача о катастрофе «Гинденбурга» в Национальном архиве
Источники
- Эдвардс, Питер П. «Наш страх перед водородными заправочными станциями». The Times. 21 апреля 2008 г.
- Крушельницкий, Карл С. «Гинденбург и водород». Australian Broadcasting Company. 2004 г.
- Мерфи, Кристиан. «Различение источников энергии и носителей». Потребительский энергетический совет Америки. 30 июля 2003 г.
- «Транспортные средства на топливных элементах». Комиссия по энергетике Калифорнии.
- «Хранение топлива». Принстонский университет.
- «Как они работают: топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM)». Fuel Economy.gov.
- «Факты о водороде». Потребительский энергетический совет Америки. 2003 г.
- «Производство и доставка водорода». Национальная лаборатория возобновляемой энергии. 1 июня 2007 г.
- «Опасен ли водород?». Институт Скалистых гор.
- «Металлические гидриды». Министерство энергетики США. 6 ноября 2006 г.
- «Сцены из ада: Герберт Моррисон — катастрофа «Гинденбурга», 1937 год». Национальный архив.
