Плюсы и минусы использования водорода в качестве автомобильного топлива
Начало 21-го века, как и начало XX века, это время перемен. Вновь перед населением Земли замаячила технологическая революция и вновь главное место в ней занимают автомобили. Как и сто лет назад быстрыми темпами начали развиваться альтернативные виды транспорта, не связанные с привычными нам двигателями внутреннего сгорания. Все чаще можно видеть на дорогах гибридыкоторые приводятся в движение электродвигателем и ДВС, в развитых странах входят в обиход электрокары и совсем недавно, каких-то 7-10 лет назад, ученные и инженеры пророчили большое будущее автомобилям с ДВС, работающим на самом распространенном элементе во вселенной- водороде. Все это человечество проходило в начале прошлого столетия. А потому, вновь подтверждает свою актуальность распространенное изречение: «Все новое- это хорошо забытое старое».
Сейчас Планета переживает новый кризис, нефтяной. Только связан он не с дефицитом черного золота, ставшего на 100 лет локомотивом развития человечества, а с перенасыщенностью данного вида товара на рынке. Это, быть может и есть тот первый сигнал, говорящий о том, что «нефтяной век» подходит к концу. Как говориться, каменный век закончился не потому, что закончились камни. Поэтому так важно развивать запасной план на случай если…
21 век, в автомобильном мире, будет веком распространения технологий будущего. Но не всем новым технологиям суждено выиграть в естественном отборе.
И так, менее десяти лет назад единственной реальной альтернативой ископаемым видам топлива был водород. Прошли годы, а никаких серьезных подвижек в этом направлении сделано не было. Наоборот, аутсайдер того времени- электрокар, из пешек перешел в дамки, с появлением Tesla и разработкой ими очень надежных и прогрессивных аккумуляторов всем стало ясно- электрические автомобили- это всерьез и надолго.
Почему так получилось? Ведь водородный ДВС был практически идеальным способом приводить в движениеавтомобиль. Он не требовал больших вложений в разработку нового агрегата (водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания). По данным статистики, в случае использования водородного топлива мощность мотора упадет до 82-65%, по сравнению с обычным бензиновым мотором. Но внеся небольшие изменения в систему зажигания- мощность того же двигателя увеличится до 118%.
Первый плюс ДВС работающего на водороде- необходимы минимальные изменения в конструкцию для того чтобы мотор перевести на новый вид топлива
Экологичность такого вида топлива также не поддается сомнениям. Последняя серийная разработка японской автомобилестроительной корпорации Toyota доказала, что «выхлоп» водородного автомобиля можно… пить. Это продемонстрировал один зарубежный автожурналист. Сделав несколько глотков воды из выхлопной трубы Toyota Mirai, он сказал, что на вкус вода вполне себе даже ничего, дистиллированная, без примесей.
Значит второй плюс- экологичность. Никакого загрязнения окружающей среды вредными выбросами. Сведение к минимуму парниковых газов и спасение нашей прекрасной Планеты. Вот к чему может привести использование этого топлива.
Следующий фактор о водородных двигателях (его можно косвенно считать таковым). Исторически так сложилось, что водородом заправляли пионеров среди ДВС. Первый водородный двигатель был построен французским конструктором, Франсуа Исаак де Ривазом аж в 1806 году.
Не забудем и героические времена истории нашей страны. В блокадном Ленинграде на водород было переведено более 500 автомобилей. И они без особых проблем несли свою непростую службу.
Получается, что водород для сжигания в ДВС используют уже достаточно давно. Значит, и проблем в создании современного автомобиля не должно быть.
Четвертый фактор говорящий за целесообразность использования вещества с формулой H2- его колоссальная распространенность. H2 можно получать даже из отходов и сточных вод.
Часто встречающиеся вещества дешево стоят. Значит и водородное топливо не должно быть дорогим.
Пятый фактор. Водород может использоваться не только в ДВС. Технологии также позволяют его применять в так называемом топливном элементе.
Топливный элемент отделяет один электрон в атоме водорода от одного протона и использует электроны для получения электрического тока. Это электричество способно питать двигательв электрокаре. В топливных элементах также не используется ископаемое топливо, они не загрязняют среду. И главное- они безопасны, водород не может самопроизвольно испарится из них, казалось бы, идеальный преемник двигателя внутреннего сгорания в качестве источника энергии для автомобилей 21-го века.
Использование водорода может происходить в различных силовых установках, делая его гибким к развитию технологий. Разрабатываемые современные водородные автомобили в основном используют данную схему, как наиболее безопасную и продуктивную.
Немало плюсов, неправда ли? И они очень весомые. Но почему тогда до сих пор мы не видим миллионы водородных самодвижущихся экипажей вокруг нас? На то есть свои причины, и они также очень важны.
Давайте рассмотрим некоторые из них, в том числе серьезные опасности, которые могут быть связаны с водородной энергетикой.
Минус номер один. Да, водород самый распространенный элемент во всей Вселенной, однако на Земле в чистом виде газообразный водород найти практически невозможно. Этот газ необычайно легок. Поэтому в чистом виде он быстро поднимается к верхним слоям атмосферы и уходит дальше в безвоздушное пространство.
В подавляющем количестве случаев атомы водорода связаны с другими типами атомов в разнообразные молекулы, которые образуют различные вещества. Например, H2O, более известная как вода или СН4, также известный как метан, оба содержат молекулы водорода.
Поэтому, прежде чем он может быть использован в качестве топлива, водород сначала должен быть извлечен из этих веществ, а затем переведен в особое состояние, как правило, в сжиженный вид.
На все эти действия требуются очень большие затраты энергии, а значит и средств. К примеру, для извлечения H2 из воды с помощью электролиза требуется большое количество электроэнергии, что на данный момент просто не рентабельно. По разным подсчетам стоимость литра сжиженного водорода составляет примерно от $2 до 8 Евро в зависимости от способа его добычи.
Следующим звеном в цепочке- идет отсутствие развитой сети водородных заправок. Стоимость оборудования для таких заправочных станций в разы выше, чем у обычной АЗС. Существует различные проекты для водородозаправляющих станций, от классических АЗС, до частных минизаправок. При сегодняшнем развитии смежных технологий, все эти проекты чрезвычайно дороги и относительно опасны.
Развитие сети водородных заправок дело будущих десятилетий. Именно столько должно пройти времени, когда стоимость их постройки будет целесообразна.
Существуют ли опасности, связанные с наличием большого количества чистого водорода в одном месте? Безусловно да. Когда жидкий водород хранится в резервуарах, это безопасно, но стоит ему просочится в окружающую среду, как он превращается в гремучую смесь (гремучий газ).
Водородный автомобиль BMW: Прототип
В плюсах мы отметили, что водородом можно заправлять автомобили с обычным двигателем внутреннего сгорания (в домашних условиях не повторять! ОПАСНО!!!), однако обычный двигатель проработает на чистом водороде не долго. Он быстро сломается. При сгорании водородной смеси выделяется больше тепла, чем при сгорании бензина, это может привести к перегреву клапанов и поршней при работе двигателя под высокими нагрузками. Помимо этого под воздействием высоких температур, H2 может влиять на смазки и материалы из которых сделан двигатель, что приведет к повышенному износу рабочих частей мотора.
Отсюда неутешительный вывод, без очень дорогостоящей модернизации ДВС, которая должна приспособить мотор к работе на этом виде топлива, использование водорода не приведет к ожидаемому результату.
А пока построенные объекты для заправки автомобилей водородом скорее используются в качестве рекламного хода и демонстрации возможностей будущего.
Топливные ячейки. Эти безопасные элементы также не избежали тернистого пути проб и ошибок. Как и с заправочными станциями и двигателями ДВС, все упирается в стоимость применяемых технологий.
Приведем пример, в качестве катализатора в топливных элементах используется платина. Представляете стоимость этой детали?!
Некоторые технологии настолько дороги, что проще жене купить платиновое кольцо с бриллиантом, чем заменить сломавшуюся деталь в водородном автомобиле.
Хорошая новость в этом дорогом деле заключается в том, что ученные непрерывно ищут замену драгоценному металлу. Разрабатываются новые технологии, тестирования проходят современные материалы. В итоге топливные элементы будущего могут снизить себестоимость в 1000 раз и более.
И наконец, возглавляет наш список минусов водородных технологий- смертельные опасности, связанные с жидким и газообразным водородом.
Возглавляет список проблем возгорания водорода. В присутствии окислителя – кислорода, водород может загореться, иногда возгорание происходит в виде взрыва. Согласно исследованиям, для воспламенения водорода, достаточно одной 10-й части энергии, требуемой для воспламенения бензина. Проще говоря, достаточно искры статического электричества для того, чтобы гремучий газ вспыхнул.
Еще одна проблема состоит в том, что пламя водорода почти невидимо. При возгорании водорода пламя настолько тускло, что с ним не так- то просто бороться.
Это интересно: 5 «зеленых» технологий, из-за которых мы не понимаем, почему бензин до сих пор популярен
Еще одно летальное свойство водорода- он может привести к удушью. H2 не ядовит, но если вы будете дышать чистым водородом можно задохнуться просто потому, что вы будете лишены кислорода. Хуже того, невозможно распознать, что концентрация водорода в воздухе высока, потому что он невидим и не имеет запаха- так же, как и кислород.
И наконец, как и любой сжиженный газ- водород имеет очень низкую температуру. При утечке из бака и непосредственным контактом с открытыми участками тела человека он приведет к серьезному обморожению.
Действительно водород насколько опасен?
Наверное, после прочитанного вы в шоке от того как опасен водород. И наверное никогда не захотите купить себе водородный автомобиль. Если в будущем появится такая возможность.
На самом деле не все так плохо. Поскольку газообразный водород чрезвычайно легок, при утечке он быстро рассеется в атмосфере. Тогда и гремучей смеси не получится, и опасность взрыва будет сведена к минимуму.
Что касается опасности удушья – такая проблема может быть только в замкнутом пространстве, например, в гараже. Если утечка водорода происходит на открытом воздухе, его концентрация будет небольшой и не опасной для жизни.
И напоследок, самые известные водородные автомобили современности:
Honda FCX Clarity
Mercedes-Benz F-CELL
Toyota Mirai
BMW Hydrogen 7
Mazda RX-8 hydrogen
