Ви знаєте цей сценарій. Ви заїжджаєте на заправку, заправляєте бак і стежите за тим, як цокає годинник. Щоразу, роблячи це, ви виснажуєте кінцевий ресурс. Викопне паливо – це просто стиснена доісторична біомаса. Запаси скорочуються. Ціни диктуються жменькою країн. А для такої країни, як США, залежність від іноземної нафти — це головний біль у сфері національної безпеки, який, схоже, ніколи не наважується. Ми покладалися на це брудне паливо протягом століть. Епоха його використання добігає кінця.
Рішення може буквально ширяти прямо над нашими головами.
Водневий парадокс
Всесвіт переважно складається з водню. Близько 75% всього, що існує, це водень (H). Але що щодо Землі? Тут чистої речовини не так багато. Водень існує у вигляді молекул H2. Вони настільки легкі, що якщо їх не утримувати, вони залишають гравітацію Землі та відлітають у космос. Ось чому ви рідко бачите чистий водень довкола. Зазвичай він пов’язані з іншими елементами. Найвідоміший приклад – вода. H2O. Водень плюс кисень.
Щоб отримати чистий водень із цієї суміші, потрібна робота. Існує кілька способів. Найпоширеніший спосіб прямо зараз – вилучення його з газу. Також можна розщеплювати молекули води за допомогою електролізу. Дослідники навіть вивчають можливість біологічного виробництва водню з водоростей чи певних бактерій. Частина цього процесу є стандартною процедурою. Частина все ще перебуває у стадії лабораторних досліджень.
Воднева економіка
Ще в 1970 році хімік Джон Бокріс ввів термін “воднева економіка”. Ідея була простою: майбутнє, в якому кожен транспортний засіб працює на водні. Це більше не мрія про нездійсненне. Ми маємо технології.
Ключовим компонентом є паливний елемент. Він генерує електрику з використанням водню. Без згоряння. Лише хімія.
Автомобільні виробники роками виробляють концепт-кари. Згадайте Volkswagen Tiguan HyMotion або Chevrolet Equinox Fuel Cell SUV. Це не просто креслення. Ви можете купити серійну модель в Каліфорнії. Honda FCX Clarity вже на дорогах.
Жодних викидів?
Обіцянка чиста. Єдиним викидом від автомобіля на паливних елементах є водяна пара. Ось і все. Жодного чадного газу. Жодних оксидів азоту. Тільки вологе повітря.
Але є перешкоди. Звідки береться водень? Якщо ви виготовляєте його з природного газу, ви все ще використовуєте викопне паливо. Ви просто перенесли забруднення із вихлопної труби на електростанцію. Чи справді це краще? Відповідь залежить від енергомережі. Якщо електрика для електролізу надходить від вугільних станцій, ви просто перекладаєте проблему. Якщо воно надходить від вітрових чи сонячних електростанцій, рівняння повністю змінюється.
Потім іде питання зберігання. Водень має низьку об’ємну густину енергії. Вам потрібні балони високого тиску. Або кріогенне охолодження. Це додає вагу. Складність. Вартість.
Інфраструктура – ще одна непереборна перешкода. Громадських водневих заправок майже немає порівняно із звичайними бензоколонками. Поки не з’явиться мережа, Honda FCX Clarity – це приємна новинка для ранніх послідовників в сонячних штатах. Це ще не є рішенням для масового ринку.
Чи може водень замінити бензин? Так. Чи повинен? Можливо. Технологія працює. Фізика обґрунтована. Політика заплутана. Економіка складна. Ми чекаємо, поки ціна впаде, а баки побільшають. До того часу ви можете продовжувати заправляти бензин. Або ви можете їздити до Каліфорнії та спостерігати, як з вашого бампера капає вода.
Паливні елементи не просто знижують забруднення. Вони усувають його. Зокрема викиди вуглецю. При виробленні електроенергії у водневому паливному елементі єдиними побічними продуктами є тепло та вода. Чиста вода. Якби всі автомобілі на дорогах перейшли на цю технологію, густий зміг, який задихає багато міст США, значною мірою зник би. Більшість цього видимого туману походить від вихлопних газів автомобілів. Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) зазначає, що половина всіх американців живе у районах, де рівень забруднення негативно впливає на здоров’я людини. Зниження рівня смогу – це не лише питання гарних видів. Це питання здоров’я.
Двигуни внутрішнього згоряння брудні. Вони спалюють паливо на основі вуглецю. Побічні продукти включають діоксид вуглецю, воду та сажу. Ці найдрібніші частинки матерії не просто зникають. Коли люди вдихають їх, наслідки можуть бути серйозними. Астма. Рак легенів. Інші респіраторні захворювання. Потім є діоксид вуглецю. Більшість учених погоджуються з тим, що підвищений вміст CO2 в атмосфері сприяє глобальному потеплінню. Реальною є загроза руйнівних кліматичних змін по всій планеті.
Перехід до чистих джерел енергії
Перехід від двигунів внутрішнього згоряння до джерел, що не забруднюють, таким як водень, має критичне значення для 21-го століття. Нам слід вирішити ці проблеми. Але реальність поточного автопарку сувора. Сьогодні на дорогах перебуває понад 130 мільйонів автомобілів із бензиновими двигунами. Автомобілі на паливних елементах не зроблять достатньо значущого внеску в найближчому майбутньому, щоб суттєво зрушити показники екологічних покращень. Бар’єром є не лише ідеологія. Це – економіка.
Ранні моделі автомобілів на паливних елементах, ймовірно, коштуватимуть щонайменше 100 000 доларів. Така ціна робить їх недоступними для водія. Ви не можете купити собі вихід із кліматичної кризи, якщо автомобіль коштує стільки ж, скільки будинок. Інфраструктура — ще один елемент, що бракує. Нам потрібні заводи з виробництва водню. Нам потрібні станції заправки. Ні того, ні іншого поки що немає в необхідних масштабах. Деякі спостерігачі стверджують, що короткострокові екологічні вигоди дасть комбінація технологій. Автомобілі на водні. Електромобілі на акумуляторах. Інші альтернативні види палива. Гібридний підхід до енергомереж.
Чому атмосферне забруднення зберігається
Існуюче атмосферне забруднення не зникне найближчим часом. Таймінг має значення. Сажа осідає з атмосфери за тижні чи місяці. Діоксид вуглецю залишається значно довшим. Десятиліття. Навіть якби ми сьогодні повністю виключили всі джерела викидів вуглецю, знадобилися б роки, щоб рівень вуглецю в атмосфері повернувся до норми. Інерція кліматичної системи велика.
Автомобілі — лише одне із джерел викидів вуглецю. Це значне джерело, але не єдине. Вугільні електростанції також викидають вуглецю в атмосферу. Щоб запобігти глобальному потеплінню, нам потрібно скоротити й ці викиди. Це війна на кількох фронтах.
Ефективність водню проти бензину
Ефективність – ще одна важлива перевага водневого паливного елемента. Двигун внутрішнього згоряння – марнотратний пристрій. Воно використовує менше ніж 20 відсотків хімічної енергії бензину. Решта? Втрачається у вигляді тепла. Паливний елемент значно ефективніший. Він використовує приблизно 60 відсотків енергії, доступної у водні. Це величезна різниця. Ви отримуєте більше миль за одиницю енергії. Менше відходів.
Більше ніякої залежності від іноземної нафти?
США імпортують понад половину нафти, яку споживають. Це разюча цифра. Дві третини цієї сирої нафти, що імпортується, безпосередньо надходить у баки. Транспорт поглинає їх у величезних кількостях. Оскільки більшість цього ланцюжка поставок знаходиться за кордоном, ми не контролюємо ціни. Ми не контролюємо канали постачання. Значна частина цього палива надходить із Близького Сходу. Це регіони, схильні до політичної нестабільності.
США намагаються позбавитися цієї залежності з 1970-х років. Стратегія провалилася. Імпорт фактично зріс. Атаки 11 вересня 2001 року зробили залежність ще більш небезпечною. Йшлося вже не лише про гроші. Йшлося про безпеку.
Окрім того, є економічний удар. Коли ціни на нафту злітають, все дорожчає. Будь-який продукт, для виробництва або транспортування якого використовується нафта, стає дорожчим. Бензин та дизельне паливо у 2008 році коштували від 4 до 5 доларів за галон. Це дорого. Це тягне вниз всю економіку.
Чи дешевше водень, ніж бензин?
Математика тут складна. Міністерство енергетики США оцінює вартість паливних елементів поточного покоління приблизно 225 доларів за кіловат. Це неконкурентоспроможно. Ціни мають впасти до рівня близько 30 доларів за кіловат, щоб водень міг реально кинути виклик бензину як основному джерелу палива.
«Вартість самого водню, розрахована на милю шляху, незабаром може виявитися на 50% нижчою за поточну вартість бензину».
Національна дослідницька рада заявляє, що вартість палива може становити половину вартості бензину. Ця перевага зростає зі зростанням цін на бензин. Крім того, водень перетворюється на електрику з високою ефективністю. Це має велике значення.
Чи можуть водневі автомобілі розірвати залежність від нафти?
Вони можуть допомогти. Але не чекайте на швидке рішення. Ймовірно, знадобиться десятиліття, доки на дорогах не з’явиться достатньо водневих автомобілів, щоб суттєво скоротити імпорт. Перехід відбувається повільно. Інфраструктура рідкісна. Але у довгостроковій перспективі вплив може бути величезним.
Це не просто концепція. Декілька автомобілів на водневих паливних елементах (FCV) вже їздять громадськими дорогами.
Honda FCX Clarity
Це єдиний FCV, доступний для оренди приватним особам. І навіть тоді ви обмежені частинами Каліфорнії, де є водневі заправки. Оренда коштує 600 доларів на місяць. Перший автомобіль було передано сім’ї у Каліфорнії 25 липня 2008 року. Це нішевий продукт. Він дорогий. Але він є реальним.
Chevrolet Equinox Fuel Cell SUV
Chevrolet збудував автопарки з цих автомобілів. Вони курсували по Каліфорнії, Нью-Йорку та Вашингтону, округ Колумбія, щоб продемонструвати технологію. Ви не можете придбати такий автомобіль. Ви не можете його орендувати. Це демонстраційний автомобіль. Він доводить, що кузов типу позашляховик сумісний із стеком паливних елементів. Ось і все.
Volkswagen Tiguan HyMotion
Volkswagen також не продавав цієї моделі. HyMotion приєднався до Національного водневого автопробігу Він проїхав від Портленда, штат Мен до Лос-Анджелеса. Це був пробіг для підтвердження концепції. Жоден дилер не пропонує його.
BMW Hydrogen 7
BMW подарував цей автомобіль знаменитостям. Вілл Феррелл отримав один із перших. За ним пішли інші. Він призначений для широкої публіки. Це PR-хід. Знаменитості отримували його тривалого використання. Це свідчить, що технологія працює. Це не означає, що ви можете замовити його з Баварії вже завтра.
Чи є воднева економіка стійкою?
Питання інфраструктури стоїть дуже гостро. Без заправок FCV залишаються у виставкових залах або у випробувальних автопарках. Економіка змінюється, але вартість обладнання залишається високою. Ми чекаємо, поки ціна за кіловат впаде. Ми чекаємо, коли заправки з’являться у передмісті. Це довга гра. Залежність від нафти нічого очікувати вилікувана протягом однієї модельного року.
Розрив у стійкості водневої енергетики
Якщо воднева економіка має забезпечити Сполученим Штатам майбутнє, вільне від забруднення та залежності від іноземної нафти, вона має бути стійкою. Тобто вона має бути здатна справлятися зі зростанням населення, збільшенням використання енергоємних технологій, змінами у політиці та змінами щодо людей до довкілля та благополуччя майбутніх поколінь. Було оцінено, що світова потреба енергії подвоїться до 2050 року. Малоймовірно, що запаси викопного палива, що швидко виснажуються, зможуть задовольнити цей попит, тому нові джерела енергії матимуть вирішальне значення.
Однією з головних перешкод для стійкої водневої економіки є те, що методи, що використовуються в даний час для вилучення водню з великих молекул, залежать від електрики, а ця електрика в основному виробляється методами, що створюють забруднення. Якщо вилучення водню виконується з використанням електроенергії від вугільної електростанції, немає значення, що паливний елемент не забруднює навколишнє середовище, тому що забруднення відбулося при вилученні водню. Якщо водень повинен стати справжнім джерелом енергії без забруднення, то електрика, що використовується для вилучення водню, повинна бути вироблена методом, який не створює забруднення, таким як сонячна енергія. В даний час це зазвичай не так, тому по-справжньому стійка воднева економіка вимагатиме істотних змін у виробництві електроенергії.
Зберігання також є проблемою. Водневе паливо зберігається у стиснутій рідкій формі, і згодом частина його випаровується. Якщо водневий автомобіль не використовується регулярно, втрати від випаровування значно збільшать загальну вартість палива. А стиснення рідкого водню до об’єму, який можна перевозити в автомобілі, також вимагає великої кількості енергії, і ця енергія могла бути вироблена методами, що викликають забруднення.
Деякі експерти вважають, що покращення у виробництві та зберіганні водню призведуть до стійкої водневої економіки через 15–30 років. Проте ідея водневої економіки має своїх противників, багато хто з яких вважає, що така економіка ніколи не буде стійкою і що наші ресурси краще використовуватимуть для вивчення інших форм виробництва енергії. Пройде ще багато років, перш ніж стане ясно, чи водень є дійсно паливом майбутнього.
Більше інформації
Пов’язані статті HowStuffWorks
-
Як працюють паливні елементи
-
Як працює воднева економіка
-
У чому різниця між автомобілем на паливних елементах та автомобілем з воднем на вимогу?
-
Як працюють ціни на бензин
-
Якими є небезпеки автомобілів на водневому паливі?
-
Як працюють гібридні автомобілі
-
Як працює глобальне потепління
-
Як працюють автомобільні двигуни
Інші відмінні посилання
-
Fueleconomy.gov
-
Fuel Cells 2000
-
Nova
-
Honda FCX Clarity
-
Міністерство енергетики США
Джерела
-
Bossel, Ulf та Eliasson, Baldur. “Енергія та воднева економіка.” 8 січня 2003. http://www.methanol.org/pdf/HydrogenEconomyReport2003.pdf
-
Carseek. “Технологія автомобілів на водневих паливних елементах.” http://www.carseek.com/articles/hydrogen-fuel-cell-car.html
-
Clayton, Mark. “Зростання заклику: скоротити імпорт нафти США.” The Christian Science Monitor. 5 травня 2005 року. http://www.csmonitor.com/2005/0505/p01s04-usfp.html
– Friedemann, Alice. “Воднева економіка – енергетична та економічна чорна діра.” Culture Change. Вересень 2004. (22 серпня 2008) http://www.culturechange.org/alt_energy.htm
-
Gizmag. “Honda готова випустити автомобіль на водневих паливних елементах та домашню заправну станцію.” (22 серпня 2008) http://www.gizmag.com/honda-fuel-cell-fcx/8394/
-
Hall, Kevin G. “Незалежність від нафти можлива, але чи справді США цього хоче?” Milwaukee Journal Sentinel. 4 березня 2006 року. http://www.jsonline.com/story/index.aspx?id=40957
– Huffman, Mark. “Автомобілі на водневих паливних елементах приносять надію, якщо не полегшення.” ConsumerAffairs. 25 червня 2008. http://www.consumeraffairs.com/news04/2008/06/fuel_cell.html
– Llanos, Miguel. “Водневі автомобілі готові до виїзду – за певну ціну.” MSNBC. 23 червня 2004 року. http://www.msnbc.msn.com/id/453676/
-
Sinha, Vandana. Volkswagen виходить на дорогу з автомобілем на водневих паливних елементах. Washington Business Journal. 11 серпня 2008 року. http://www.bizjournals.com/washington/stories/2008/08/11/daily14.html? ana=from_rss
-
Vergano, Dan. “На даний момент автомобілі на водневому паливі – це паливо для майбутніх роздумів.” USA TODAY. 21 липня 2008. http://www.usatoday.com/tech/science/columnist/vergano/2008-07-20- hydrogen-cars_N.htm
