В этой статье мы погружаемся в химию автомобилей на водородных топливных элементах (FCEV), которые выбрасывают только воду, и рассматриваем, как эта технология может спасти автомобильную промышленность в том виде, в каком мы её знаем.
Что такое водородный автомобиль?
Это автомобиль, работающий на водороде (да, всё довольно просто, друзья). Водород уже давно обещают как «следующее великое открытие», но пока этого не произошло. Однако, будучи самым лёгким и взрывоопасным газом в мире, водород объясняет, почему его внедрение заняло так много времени.
Двигатели требуют сгорания топлива, что делает водород одновременно опасным и идеальным кандидатом. Давайте начнём с преимуществ.
Преимущества водородных автомобилей
Вопреки тексту известной песни 90-х годов, которая 15 недель занимала первое место в чартах, водород окружает нас повсюду. Будучи одним из ключевых компонентов воды (H2O — где водород удваивается), добывать этот распространённый элемент гораздо проще, чем бурить нефтяные скважины.
При сгорании водород выделяет только воду, что делает его идеальным топливом для транспорта с нулевым выбросом углерода. Кроме того, заправка водородом происходит так же быстро, как и бензином, — всего за несколько минут на станции.
Недостатки водородных автомобилей
Идея использования водорода не нова. Ещё в 1920-х годах дирижабли использовали водород, но, к сожалению, это привело к десяткам смертей из-за пожаров. В конце 1930-х годов катастрофа с дирижаблем «Гинденбург», о которой до сих пор вспоминают спустя почти столетие, положила конец эпохе опасных водородных дирижаблей.
О, боже. А как насчет безопасности на земле?
На земле это может быть безопасно. Водород хранится в баллонах под высоким давлением в автомобиле. Водород под давлением 700 бар эквивалентен 10 153 фунтам на квадратный дюйм (для сравнения, шины вашего автомобиля накачиваются примерно до 33 фунтов на квадратный дюйм), и если он вытечет, есть риск самовозгорания.
Важно отметить, что в автомобилях на водородном топливе водород не используется для сгорания.
Как работает водород в автомобиле?
Из баллона водород поступает через анод в топливный элемент. Анод содержит катализатор, обычно платину, который заставляет водород распадаться на протоны и электроны.
Протоны проходят через мембрану протонного обмена (PEM), в то время как электроны, которые не могут пройти через PEM, отправляются по цепи, питая двигатель, и в итоге соединяются с кислородом из воздуха, который проходит через катод. В результате H2 превращается в H2O, и вуаля — мы получаем экологически чистые выбросы в виде водяного пара.
Это немного похоже на батарею.
Да, это действительно похоже на батарею. И, как и батарея, топливный элемент содержит дорогие металлы, которые сложно и дорого добывать. Это одна из проблем водорода на протяжении десятилетий — его стоимость.
Установка одной водородной заправочной станции, которая будет расщеплять молекулы воды на месте, обходится примерно в 1 миллион фунтов стерлингов. Кроме того, для расщепления атомов требуется энергия. Является ли эта энергия экологически чистой? Не всегда.
Альтернативный вариант — доставлять водород на станции в цистернах, как сейчас делают с бензином. В этом есть определённая ирония: бензовозы перевозят «более зелёную» энергию по стране.
Да, ирония. Есть ли способ безопасно хранить водород в топливных баках, если он не используется для искры?
Конечно. Водородные технологии уже используются на дорогах. Они применяются в коммерческих транспортных средствах, таких как автобусы, и особенно подходят для тяжелых грузовиков — некоторые даже предлагают использовать водородные цистерны, — потому что водород обладает гораздо большей энергоемкостью (и, что важно, он легче) по сравнению с существующими и будущими технологиями батарей.
А как насчёт батарей? Разве они не должны стать «Следующим большим открытием»?
Те, кто инвестирует в них, определённо надеются на это, но электромобили на батареях тоже имеют свои ограничения.
Помимо различий в энергоёмкости, инфраструктура для обеспечения возможности зарядки в каждом доме или рядом с ним ещё не готова. Кроме того, жители отдалённых районов могут никогда не получить лёгкий доступ к зарядным станциям для электромобилей — поэтому поиск альтернативы полезен.
Хм... так в чем решение?
Есть несколько автопроизводителей, которые все еще видят потенциал в развитии водородных технологий и автомобилей на топливных элементах (FCEV). Недавно BMW объявила о планах начать продажи водородного автомобиля с 2028 года, разрабатывая платформу в сотрудничестве с Toyota.
Другие компании исследуют синтетическое топливо, и председатель правления BMW Оливер Ципсе уже признал, что водород вряд ли станет массовым — по крайней мере, для легковых автомобилей. Так что, возможно, в ближайшем будущем мы увидим смесь всех этих видов силовых установок, пока технологии не приведут нас к какому-нибудь экологически чистому буму.