Прошлое «будущего»: водород в автомобилях
На прошлой неделе внимание мировой общественности привлекло объявление автопроизводителя Toyota о старте продаж нового автомобиля Toyota Mirai с водородным двигателем. Mirai в переводе с языка автопроизводителя означает «будущее», и некоторые СМИ поспешно окрестили Mirai «революцией» на автомобильном рынке. Покопавшись в истории, я поняла, что сенсацию Mirai может произвести лишь только потому, что японцы вопреки всем но все же решились массово производить и продавать автомобиль, работающий на водороде. В остальном — история топлива H2 длится уже не первый век, и автомобили с водородными двигателями — далеко не новость.
Начну, пожалуй, с того, что сама идея использовать водород для приведения в движение автомобиль родилась уже в 19-м веке, а точнее в 1807 году, когда швейцарец Франсуа Исаак де Риваз придумал двигатель внутреннего сгорания, работающий на H2. Полвека спустя француз Этьен Ленуар изобрел «гипомобиль» с одноцилиндровым двухтактным двигателем, топливом для которого был полученный с помощью электролиза водород. Позже, правда, Ленуар адаптировал двигатель под различные виды газов, в том числе угольный, и порядка 400 его автомобилей разошлись по своим покупателям.
Что-то более-менее похожее на «нормальный» автомобиль с двигателем на водородных топливных элементах было представлено в 1933 году энергопредприятием Norsk Hydro. Один из своих грузовиков компания перевела на газообразный водород, подача которого в двигатель внутреннего сгорания осуществлялась через встроенный трансформатор аммиака. Стоит упомянуть и еще об одном грузовике с водородным двигателем, который стал доказательством того, что война все-таки двигатель прогресса. Топливо в блокадном Ленинграде было дефицитным, и тогда военный техник Борис Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь приземлившихся аэростатов и подавать ее «во всасывающие трубы автомобильных двигателей». После ряда экспериментов и доработок за 10 дней на водородное топливо было переведено 200 грузовиков ГАЗ-АА, Шелища наградили орденом Красной Звезды, а на изобретение был выдан авторский патент… который мог бы обеспечить лидерство России в разработке транспортных средств на водородном топливе, если бы про него не забыли.
Важной вехой в истории автомобилей на водородном топливе стал 1966 год, когда была представлена модель «Электровэн» 1966 от General Motors. Этот автомобиль считается первым непосредственно выпущенным с двигателем на водородных топливных элементах. Машина крайна интересная: спереди это просто автомобиль для водителя и одного пассажира, а сзади — целая научная лаборатория: один большой бак для водорода, один для кислорода и в общей сложности около 170 метров труб.
В 1966 году «Электровэн» выпустили, протестировали, показали журналистам, но на том проект застопорили по причинам, которые, собственно, и сегодня препятствуют развитию автомобилей на водороде — высокая стоимость материалов (платины) и отсутствие инфраструктуры.
В 1970-80-х годах исследования и разработки в области создания тепловых двигателей на водороде успешно продолжались по всему миру. В это время свои первые достижения представила и Япония. Это были автомобили Musashi, разработанные одноименным японским технологическим институтом. Musashi, начиная с 1974 года, последовательно выпускали легковые автомобили, приводимые в движение сжиженным водородом, а в 1986 году показали еще и грузовичок.
Исследования по применению водорода в двигателях авто продолжались и в СССР. В 1979 году лабораторно-дорожные испытания прошел РАФ-22031 с комбинированной (бензоводородной) силовой установкой. Но видимо по причинам политического хаоса разработкам не суждено было выйти из разряда экспериментальных.
В 1980-90-х годах в «тему водородного топлива» включились уже многие игроки международного автомобильного рынка, в том числе и Daimler — Mercedes Benz, Mazda, Renault, Toyota, BMW, ну а в 2000-х эта тенденция стала повальной.
Toyota «будущее» Mirai появится на рынке Японии уже 15 декабря этого года. По завявлениям производителя, автомобиль способен преодолевать 650 км. на полном баке, заправить который можно будет за несколько минут. Стоимость автомобиля в Японии составит 57 тысяч USD. Говорящее название Mirai, вполне вероятно, покажет, есть ли будущее у водорода как альтернативного топлива для автомобилей.
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
- В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
- В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
- В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
- В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
- На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
- Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
- В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
- В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.
Плюсы водородного двигателя
- Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
- Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
- Бесшумная работа двигателя;
- Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
- Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.
Минусы водородного двигателя
- Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
- Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
- Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
- Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.
Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
- Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
- Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
- Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.
Водородные автомобили или электромобили: что лучше
Продажи аккумуляторных электромобилей (BEVS) растут по всей Европе, и, согласно ежегодному Глобальному прогнозу, сейчас каждую неделю их продается больше, чем за весь 2012 год. Но, несмотря на растущую популярность, дефицит ключевых компонентов для батарей, включая литий, никель и кобальт, может поставить под угрозу поставки. Может, пора сосредоточиться на водородной энергетике? Водородные автомобили или электромобили станут нашим будущим?
В отличие от Европы, где в продаже имеется лишь несколько водородных автомобилей и около 228 заправочных станций, Азия делает ставку на водород.
Правительство Японии планирует, что к 2030 году на дорогах будет 800 000 водородных автомобилей, а Китай поставил амбициозную цель — 1 миллион к 2035 году. Эти первые участники, вероятно, снизят стоимость, увеличат объемы и разовьют цепочку поставок.
Автопроизводители еще не определились, и, за исключением Toyota и Hyundai, лишь немногие из них вкладывают значительные средства в водород. Однако недавно компания BMW возобновила свой интерес к этой теме, так как уверена, что автомобили на водородном топливе будут стоять в одном ряду с электрическими.
BMW планирует запустить небольшое количество водородных автомобилей BMW iX5 по всему миру с конца этого года, первоначально в тестовых целях.
«Как универсальный источник энергии, водород играет ключевую роль на пути к климатической нейтральности», – сказал Оливер Ципсе, председатель правления BMW AG.
Группа Stellantis также наладила ограниченное производство коммерческих водородных фургонов. Но не все с этим согласны. Mercedes отложил планы по выводу на рынок автомобилей на водородных топливных элементах, как и Audi.
Водородные автомобили или электромобили: в чем разница
Проще говоря, аккумуляторный электромобиль работает от электричества, хранящегося в аккумуляторе, и подзаряжается от электросети.
Электромобиль на водородных топливных элементах вырабатывает собственную электроэнергию в результате химической реакции в топливных элементах. Это электричество питает двигатели колес, а единственным выбросом является водяной пар. Такие авто заправляются на специальных станциях технического обслуживания.
Привлекательность водородного автомобиля в том, что его можно заправить за время, необходимое для заправки бензинового или дизельного автомобиля, достичь аналогичного запаса хода и при этом не производить никаких выбросов.
Так почему же водород не может завоевать популярность? Есть ряд проблем — от низкой эффективности до высокой стоимости.
Низкий КПД из-за больших потерь энергии
Самым чистым способом производства водорода является электролиз — процесс использования электричества для разделения воды на водород и кислород. Однако этот способ энергоемкий, и его эффективность намного ниже 100%.
К моменту транспортировки водорода на заправочную станцию происходит еще больше потерь, и даже если удается миновать этап транспортировки, стоимость хранения будет высока.
По оценкам, к тому времени, когда в автомобиле водород преобразуется в электричество, используется лишь около 38% первоначальной электроэнергии.
Водородные автомобили или электромобили: плохая инфраструктура
Ключевым преимуществом водородных автомобилей является то, что они могут заправляться за считанные минуты, но, несмотря на то, что водород является самым распространенным элементом во Вселенной, найти место, где можно заправить такой автомобиль, очень сложно.
В этом кроется проблема водородной энергетики: кто будет покупать водородные автомобили, если заправочных станций не существует? И кто будет инвестировать в заправочные станции, если автомобилей не будет?
Первоначальный инвестиционный риск создания водородной инфраструктуры слишком высок для одной компании, поэтому для решения этой проблемы, вероятно, потребуется планирование и координация, объединяющая правительства, промышленность и инвесторов.
Водородные автомобили или электромобили: опасность водорода
Водород легко воспламеняется, его трудно хранить, и в случае аварии он представляет собой риск для безопасности. Однако производители автомобилей, такие как Toyota, настаивают на том, что электромобили на топливных элементах так же безопасны, как и обычные автомобили.
Японский автопроизводитель потратил много лет на испытания автомобилей на водородных топливных элементах в экстремальных условиях и температурах, чтобы убедиться, что они могут быть использованы безопасно и надежно.
Какие водородные автомобили вы можете купить
В то время как новые электромобили появляются регулярно, в Европе можно купить только два водородных авто: внедорожник Hyundai Nexo и Toyota Mirai.
Водородные автомобили не только дорого купить, но и заправлять. В разных странах они стоят гораздо дороже, чем подзарядка электромобиля.
Что ждет водородные и электрические автомобили в будущем
Специалисты еще не определились, есть ли место для обеих технологий в ближайшем будущем.
BEV не лишены проблем: они дороги в приобретении и могут требовать значительного времени для подзарядки.
Кроме того, электромобили могут не производить выбросов из выхлопных труб, но источники питания батарей, переработка их компонентов и производство автомобилей и батарей способствуют выбросам углерода. Также добыча многих видов сырья поднимает этические и экологические вопросы.
Однако отсутствие инфраструктуры для заправки водородом, проблемы с транспортировкой топлива и тот факт, что для движения водородного автомобиля требуется гораздо больше энергии, чем для электромобиля на аккумуляторах, означает, что пока будущее за последними.
Почему водородное топливо до сих пор не стало спасением человечества?
Тема вечного двигателя будоражит умы человечества не одно столетие. На заре науки изобретатели активно экспериментировали в этой области, но все их начинания перечеркнула фундаментальная физика с законами термодинамики. Они показали, что создание вечного двигателя невозможно. И хотя этот факт охладил многих, вопрос с повестки дня не снял, а просто немного его переформатировал: «Хорошо, не вечный, но что нам мешает создать двигатель, работающий на неисчерпаемом источнике?». Так и стали топливом дрова, уголь, нефть, газ и другие. Но оказалось, что всё не то.
Первый в мире паровой автомобиль на угле, созданный Фердинандом Вербистом в 1672 году (изображение с сайта wikipedia.org)
Наконец, после долгого периода исканий и разочарований человечество обратило внимание на водород. На первый взгляд в нём всё сошлось: высокая энергоёмкость, экологичность, нетоксичность и самое главное — бесконечные запасы. Как сообщает «Википедия», «одноатомная форма водорода — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75% всей барионной массы». Первые эксперименты с водородом в качестве топлива случились еще в начале XIX века, и вот уже в 2014 году Toyota выпустила в продажу первый в мире серийный автомобиль на водороде (стоит отметить, что первенство оспаривают и другие производители).
Водородный гибридный автомобиль Toyota Mirai — первый серийный в мире
На фоне мирового дефицита энергоносителей многие европейские политики призывают отказываться от «грязного» российского газа и переходить на «чистый» водород. Даже недавний Парижский автосалон прошел под знаменем водородных автомобилей, что должно показать всему миру, куда следует двигаться (подробно о мероприятии рассказал Владимир Нимин в отдельном материале.
Итак, путь проложен, перспективы огромны, но почему же водород до сих пор не вытеснил все другие виды топлива? Ответ на этот вопрос нам дадут физика, экономика и, как ни странно, экология.
Первое, что и так понимает большинство потребителей: водород — очень дорогое топливо. Но не просто дорогое: главная проблема экономики водорода в том, что для получения этого вида топлива нужно потратить больше энергии, чем полученный водород даст впоследствии. Закон сохранения энергии никто не отменял! Потери при получении водорода зависят от способа производства, но избавиться от них не получится. В копилку отрицательного энергобаланса также следует добавить затраты на очистку этого вещества и сложности с транспортировкой и хранением. Сейчас водород чаще всего либо «пакуется» в баллоны высокого давления (до 700 атм), либо сжижается при очень низких температурах (на один-два десятка градусов выше абсолютного нуля, который равен −273,15 °С). Несложно догадаться, что такие экстремальные условия требуют больших экономических и энергетических затрат.
Установка ожижения водорода «НПО Гелиймаш», электрическая мощность — 210 кВт!
(Изображение с сайта geliymash.ru)
С экономикой разобрались. Но тут можно возразить: «Пусть дорого, пусть энергозатратно, зато экологию спасём». И здесь всё не так просто. Дело в том, что 75% водорода добывается из природного газа, а практически вся оставшаяся часть приходится на уголь. Например, метан, не считая примесей, состоит из углерода и водорода. Этот газ разлагают на составляющие, после чего полезный водород забирается, а оставшийся углерод образует оксиды — печально известные угарный и углекислый газы, что идет вразрез с современными экологическими установками (первый вообще смертельно опасен для человека). Кратко из «Википедии» (статья «Водород»): «При производстве водорода в атмосферу поступает около 830 млн тонн [углекислого газа] CO2». При этом в данном процессе в год расходуется около 205 млрд м 3 природного газа, того самого газа, зависимость от которого так мечтает побороть Европа.
Неделю использовал смартфон с батареей 10 000 мАч. Какие выводы сделал
Сегодня на тесте UMIDIGI Power 7 Max. Это смартфон с …
Субботний кофе №267
Налейте чашку ароматного субботнего кофе и познакомьтесь с новостями недели. Представлена серия смартфонов Redmi Note 13, Tecno показала раскладушку, а Infinix привезла в Россию новые смартфоны…
Тест Skywell ET5. Электрический кроссовер из Китая
Китайская марка Skywell является новичком на автомобильном рынке, основана она была в 2010 году. В 2020 году был представлен первый легковой автомобиль бренда, а в 2021 году электрический кроссовер от Skywell вышел на рынок Китая…
Обзор смартфона Samsung Galaxy A24 (SM A245F/DSN)
Прочтение бюджетной 4G-модели от Samsung — преимущества в виде долгого цикла поддержки, но отсутствует 5G, простой процессор и довольно высокая цена.
Однако можно смириться с вредностью где-то там на производстве, главное, чтобы у нас в городах ездил экологичный транспорт. Ведь, по идее, при сжигании водорода в двигателе автомобиля будет выделяться полезная энергия, а в качестве отходов образуется вода, а не выхлопные газы. Но это лишь отчасти так. В воздухе, помимо кислорода, который будет участвовать в процессе горения, присутствует другой газ — азот. И при сгорании водорода будут образовываться такие вредные вещества, как оксиды азота. Даже небольшие их концентрации могут вызвать нарушения самочувствия, боли, легочные заболевания и отравления. Кислотные дожди, которыми нас пугали в школе, тоже вызваны испарениями в атмосферу оксидов азота (справедливости ради стоит отметить, что оксиды азота образуются при использовании любого топлива с температурой сжигания выше 600 °С).
Битопливный автомобиль BMW Hydrogen 7 (двигатель может работать в двух режимах: на бензине или водороде)
Теоретически, для снижения вреда окружающей среде ответственные производители должны ставить специальные улавливающие ёмкости для углекислого газа на производстве водорода и катализаторы в автомобилях. Но мы-то знаем, что начнётся при действительно массовом переходе на это топливо. К этому еще добавятся проблемы со взрывоопасностью водорода и его текучестью (молекулы водорода очень маленькие и легкие, так что они могут проникать сквозь материалы, способные удерживать обычные газы).
Казалось бы, тупик. Но не всё потеряно, как обычно, нас выручит электричество. Оказывается, есть ещё один способ получения водорода — электролиз. С его помощью наш полезный газ можно получать из воды, при этом побочным продуктом будут не вредные газы, а очень даже полезный кислород. Только почему-то этим методом вырабатывается не более 0,1% от всего промышленного водорода. Причина проста: очень высокие цена и энергозатраты. Для сравнения, при получении водорода из газа себестоимость 1 кг составит $1,5-3, тогда как при электролизе этот показатель может превышать $10.
Электролизёр — устройство для получения водорода из воды (изображение с сайта wikipedia.org)
Также для этого метода желательно иметь развитую традиционную энергетику, которая сможет сгенерировать необходимые «излишки» для получения водорода. Это могут быть гидро- или атомные электростанции, так как себестоимость производства электричества на них наиболее низкая. Альтернативные источники, например, ветровые или солнечные станции, не смогут выдать достаточного количества энергии для производства водорода во всемирном масштабе, да и стоимость электричества на них (без учета субсидий) высокая. Получается, что даже в водородную эпоху без традиционных электростанций никуда и шагу не ступишь.
С выбросами в атмосферу при производстве топлива разобрались, теперь надо победить выхлопы в автомобилях. Это возможно благодаря отказу от ДВС и переходу на топливные элементы. Топливный элемент — это почти как аккумулятор, только активные вещества (в нашем случае водород) не находятся внутри корпуса, а подаются извне. Никаких выбросов в процессе работы, так как энергия вырабатывается в результате «холодной» реакции, ещё и КПД гораздо выше, чем в традиционных двигателях. Ставим такие элементы на автомобиль, периодически дозаправляем водородом, и всё, победа!
Mercedes-Benz GLC F-Cell — серийный легковой автомобиль на водородных топливных элементах
Но если подумать критически, то вот что мы получили: высокие денежные и энергетические затраты, технологические сложности, проблемы с транспортировкой и хранением топлива, а на выходе — всего лишь электромобиль, пусть и с немного увеличенным запасом хода.
Кратко подведём итоги:
- для государства производство водорода убыточно и экономически, и энергетически;
- водородная энергетика всё равно требует наличия ископаемого топлива или традиционных источников энергии;
- водород — очень проблемное вещество с точки зрения безопасности, хранения и транспортировки;
- при массовом производстве и использовании водорода неизбежны выбросы в атмосферу и другие вредные факторы.
Неудивительно, что экономики абсолютно всех стран не спешат с переходом на водород, а такие планы озвучивают только легкомысленные политики. Уж лучше использовать дефицитную энергию напрямую, избегая таких неудобных посредников. Так что пока удел водорода — применение в промышленности, например, в нефтепереработке или производстве удобрений. А ещё он продолжит нас радовать в дорогих и красивых автомобилях «из будущего».
Однако хотелось бы закончить на оптимистической ноте и заявить, что вечный (почти) двигатель у человечества уже практически есть! Но об этом — как-нибудь в другой раз.