Znacie ten scenariusz. Zajeżdżasz na stację benzynową, tankujesz i patrzysz, jak zegar tyka. Za każdym razem, gdy to robisz, wyczerpujesz skończone zasoby. Paliwa kopalne to po prostu sprasowana prehistoryczna biomasa. Zapasy maleją. Ceny dyktuje kilka krajów. A dla kraju takiego jak Stany Zjednoczone zależność od zagranicznej ropy stanowi problem bezpieczeństwa narodowego, który wydaje się nigdy nierozwiązany. Od wieków polegaliśmy na tym brudnym paliwie. Era jego stosowania dobiega końca.
Rozwiązanie może dosłownie wisieć tuż nad naszymi głowami.
Paradoks wodoru
Wszechświat składa się głównie z wodoru. Około 75% wszystkiego, co istnieje, to wodór (H). Ale co z Ziemią? Nie ma tu zbyt wiele czystej substancji. Wodór występuje w postaci cząsteczek H2. Są tak lekkie, że jeśli nie są trzymane, uciekają przed ziemską grawitacją i lecą w kosmos. Dlatego rzadko widuje się czysty wodór. Zwykle jest łączony z innymi elementami. Najbardziej znanym przykładem jest woda. H2O. Wodór plus tlen.
Uzyskanie czystego wodoru z tej mieszaniny wymaga pracy. Istnieje kilka metod. Najpopularniejszym obecnie sposobem jest wydobywanie go z gazu ziemnego. Możliwe jest również rozbicie cząsteczek wody za pomocą elektrolizy. Naukowcy badają nawet możliwość biologicznego wytwarzania wodoru z alg lub niektórych bakterii. Część tego procesu jest już standardową procedurą. Niektóre z nich są wciąż na etapie badań laboratoryjnych.
Gospodarka wodorowa
Już w 1970 roku chemik John Bockris ukuł termin gospodarka wodorowa. Pomysł był prosty: przyszłość, w której każdy pojazd będzie napędzany wodorem. To już nie jest mrzonka. Mamy technologię.
Kluczowym elementem jest ogniwo paliwowe. Wytwarza energię elektryczną za pomocą wodoru. Brak spalania. Tylko chemia.
Producenci samochodów od lat tworzą samochody koncepcyjne. Pomyśl o Volkswagen Tiguan HyMotion lub Chevrolet Equinox Fuel Cell SUV. To nie są tylko rysunki. Faktycznie można kupić model produkcyjny w Kalifornii. Honda FCX Clarity jest już na drogach.
Brak emisji?
Obietnica jest czysta. Jedyną emisją pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi jest para wodna. To wszystko. Brak tlenku węgla. Brak tlenków azotu. Tylko wilgotne powietrze.
Ale są przeszkody. Skąd pochodzi wodór? Jeśli produkujesz energię z gazu ziemnego, nadal korzystasz z paliw kopalnych. Po prostu przeniosłeś zanieczyszczenia z rury wydechowej do elektrowni. Czy naprawdę jest lepiej? Odpowiedź zależy od siatki. Jeśli energia elektryczna do elektrolizy pochodzi z elektrowni węglowych, po prostu przesuwasz problem. Jeśli pochodzi z elektrowni wiatrowych lub słonecznych, równanie zmienia się całkowicie.
Do tego dochodzi kwestia przechowywania. Wodór ma niską objętościową gęstość energii. Potrzebujesz butli wysokociśnieniowych. Lub chłodzenie kriogeniczne. To dodaje wagi. Złożoność. Cena.
Infrastruktura to kolejna bariera nie do pokonania. Prawie nie ma publicznych stacji tankowania wodoru w porównaniu ze zwykłymi stacjami benzynowymi. Do czasu pojawienia się łańcucha Honda FCX Clarity jest mile widzianą nowością dla pierwszych użytkowników w słonecznych stanach. Nie jest to jeszcze rozwiązanie masowe.
Czy wodór może zastąpić benzynę? Tak. Powinienem? Może. Technologia działa. Fizyka jest zdrowa. Polityka jest myląca. Gospodarka jest złożona. Czekamy aż cena spadnie i czołgi się powiększą. Do tego czasu możesz kontynuować tankowanie. Możesz też jechać po Kalifornii i patrzeć, jak woda kapie ze zderzaka.
Ogniwa paliwowe nie tylko zmniejszają zanieczyszczenia. Eliminują go. W szczególności emisję dwutlenku węgla. Jedynymi produktami ubocznymi wytwarzania energii elektrycznej w wodorowym ogniwie paliwowym są ciepło i woda. Czysta woda. Gdyby każdy pojazd na drogach zastosował tę technologię, gęsty smog dławiący wiele amerykańskich miast w dużej mierze zniknąłby. Duża część tej widocznej mgły pochodzi ze spalin pojazdów. Agencja Ochrony Środowiska (EPA) zauważa, że połowa Amerykanów żyje na obszarach, gdzie poziom zanieczyszczeń negatywnie wpływa na zdrowie ludzkie. Ograniczenie smogu to nie tylko kwestia pięknych widoków. To jest problem zdrowotny.
Silniki spalinowe są brudne. Spalają paliwa na bazie węgla. Produkty uboczne obejmują dwutlenek węgla, wodę i sadzę. Te maleńkie cząstki materii nie tylko znikają. Kiedy ludzie je wdychają, konsekwencje mogą być poważne. Astma. Rak płuc. Inne choroby układu oddechowego. Potem jest dwutlenek węgla. Większość naukowców zgadza się, że zwiększony poziom CO2 w atmosferze przyczynia się do globalnego ocieplenia. Groźba niszczycielskich zmian klimatycznych na całej planecie jest realna.
Przejście na czyste źródła energii
Przejście z silników spalinowych na źródła niezanieczyszczające, takie jak wodór, ma kluczowe znaczenie w XXI wieku. Musimy rozwiązać te problemy. Jednak rzeczywistość obecnej floty jest trudna. Obecnie po drogach porusza się ponad 130 milionów pojazdów napędzanych benzyną. Pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi nie wniosą w najbliższej przyszłości na tyle znaczącego wkładu, aby znacząco poruszyć igłę w zakresie poprawy ochrony środowiska. Barierą jest nie tylko ideologia. To jest ekonomia.
Wczesne modele pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi będą prawdopodobnie kosztować co najmniej 100 000 dolarów. Ta cena sprawia, że są one niedostępne dla przeciętnego kierowcy. Nie da się wykupić wyjścia z kryzysu klimatycznego, jeśli samochód kosztuje tyle samo, co dom. Infrastruktura to kolejny brakujący element. Potrzebujemy zakładów produkujących wodór. Potrzebujemy stacji benzynowych. Ani jedno, ani drugie nie jest jeszcze dostępne w wymaganej skali. Niektórzy obserwatorzy twierdzą, że połączenie technologii przyniesie krótkoterminowe korzyści dla środowiska. Samochody na wodór. Pojazdy elektryczne zasilane akumulatorowo. Inne paliwa alternatywne. Hybrydowe podejście do sieci energetycznych.
Dlaczego zanieczyszczenie powietrza utrzymuje się
Obecne zanieczyszczenie powietrza szybko nie zniknie. Czas ma znaczenie. Sadza osadza się w atmosferze w ciągu tygodni lub miesięcy. Dwutlenek węgla pozostaje znacznie dłużej. Dekady. Nawet gdybyśmy dzisiaj całkowicie wyeliminowali wszystkie źródła emisji dwutlenku węgla, powrót poziomu węgla w atmosferze do normy zająłby lata. Bezwładność systemu klimatycznego jest ogromna.
Samochody to tylko jedno ze źródeł emisji dwutlenku węgla. To istotne źródło, ale nie jedyne. Elektrownie węglowe również emitują węgiel do atmosfery. Aby zapobiec globalnemu ociepleniu, musimy również zmniejszyć te emisje. To wojna na kilku frontach.
Wydajność wodoru w porównaniu z benzyną
Wydajność to kolejna ważna zaleta wodorowego ogniwa paliwowego. Silnik spalinowy jest urządzeniem marnotrawnym. Zużywa mniej niż 20 procent energii chemicznej benzyny. Odpoczynek? Stracone jako ciepło. Ogniwo paliwowe jest znacznie wydajniejsze. Zużywa około 60 procent energii dostępnej w wodorze. To ogromna różnica. Zyskujesz więcej mil na jednostkę energii. Mniej odpadów.
Koniec z uzależnieniem od zagranicznej ropy?
Stany Zjednoczone importują ponad połowę zużywanej przez siebie ropy. To zdumiewająca liczba. Dwie trzecie tej importowanej ropy naftowej trafia bezpośrednio do zbiorników. Transport pochłania go w ogromnych ilościach. Ponieważ znaczna część tego łańcucha dostaw odbywa się za granicą, nie mamy kontroli nad cenami. Nie kontrolujemy kanałów dostaw. Duża część tego paliwa pochodzi z Bliskiego Wschodu. Są to regiony podatne na niestabilność polityczną.
Stany Zjednoczone próbują pozbyć się tego nałogu od lat 70. XX wieku. Strategia nie powiodła się. Import rzeczywiście wzrósł. Ataki z 11 września 2001 roku uczyniły uzależnienie jeszcze bardziej niebezpiecznym. Nie chodziło już tylko o pieniądze. Chodziło o bezpieczeństwo.
Następnie następuje uderzenie gospodarcze. Kiedy ceny ropy rosną, wszystko staje się droższe. Każdy produkt, który do produkcji lub transportu wykorzystuje ropę, staje się droższy. Benzyna i olej napędowy kosztowały w 2008 roku od 4 do 5 dolarów za galon. Jest drogi. To pociąga za sobą upadek całej gospodarki.
Czy wodór jest tańszy niż benzyna?
Matematyka jest tutaj skomplikowana. Departament Energii Stanów Zjednoczonych szacuje koszt ogniw paliwowych obecnej generacji na około 225 dolarów za kilowat. To nie jest konkurencyjne. Ceny wodoru muszą spaść do około 30 dolarów za kilowat, aby realistycznie zagrozić benzynie jako głównemu źródłu paliwa.
„Koszt samego wodoru na milę może wkrótce być o 50% niższy niż obecny koszt benzyny”.
Krajowa Rada ds. Badań twierdzi, że koszt paliwa może być o połowę niższy niż cena benzyny. Przewaga ta wzrasta wraz ze wzrostem cen benzyny. Ponadto wodór przekształcany jest w energię elektryczną z dużą wydajnością. To robi dużą różnicę.
Czy samochody wodorowe mogą przełamać naszą zależność od ropy?
Mogą pomóc. Ale nie oczekuj szybkiej naprawy. Prawdopodobnie minie dekada, zanim na drogach pojawi się wystarczająca liczba samochodów napędzanych wodorem, aby znacznie zmniejszyć import. Przejście następuje powoli. Infrastruktura jest uboga. Jednak długoterminowe skutki mogą być ogromne.
To nie są tylko koncepcje. Po drogach publicznych porusza się już kilka pojazdów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCV).
Honda FCX Przejrzystość
Jest to jedyny FCV dostępny do prywatnego wynajmu. Nawet wtedy jesteś ograniczony do części Kalifornii, gdzie znajdują się stacje wodorowe. Miesięczny czynsz kosztuje 600 dolarów. Pierwszy samochód trafił do rodziny w Kalifornii 25 lipca 2008 roku. Jest to produkt niszowy. Jest drogi. Ale on jest prawdziwy.
SUV Chevrolet Equinox z ogniwami paliwowymi
Chevrolet zbudował flotę tych pojazdów. Podróżowali po Kalifornii, Nowym Jorku i Waszyngtonie, aby zademonstrować technologię. Nie możesz kupić takiego samochodu. Nie możesz go wypożyczyć. To jest samochód demonstracyjny. Dowodzi to, że styl nadwozia SUV-a jest kompatybilny ze stosem ogniw paliwowych. To wszystko.
Volkswagen Tiguan HyMotion
Volkswagen również nie sprzedawał tego modelu. HyMotion przyłączył się do Krajowego Rajdu Wodorowego. Podróżował z Portland w stanie Maine do Los Angeles. To był test koncepcji. Żaden dealer tego nie oferuje.
BMW Wodór 7
BMW podarowało ten samochód celebrytom. Will Ferrell dostał jedną z pierwszych. Poszli inni. Nie jest ona przeznaczona dla ogółu społeczeństwa. To jest ruch PR. Gwiazdy otrzymały go do długotrwałego stosowania. To pokazuje, że technologia działa. Nie oznacza to jednak, że jutro będzie można go zamówić z Bawarii.
Czy gospodarka wodorowa jest zrównoważona?
Sprawa infrastruktury jest bardzo paląca. Bez uzupełnień pojazdy FCV pozostają w salonach lub we flotach testowych. Gospodarka się zmienia, ale koszty sprzętu pozostają wysokie. Czekamy, aż cena za kilowat spadnie. Czekamy, aż na przedmieściach pojawią się stacje benzynowe. To długa gra. Uzależnienia od ropy nie da się wyleczyć w jeden rok modelowy.
Luka w zrównoważonym rozwoju energii wodorowej
Jeżeli gospodarka wodorowa ma zapewnić Stanom Zjednoczonym przyszłość wolną od zanieczyszczeń i zależności od zagranicznej ropy, musi być zrównoważona. Oznacza to, że musi być w stanie poradzić sobie ze wzrostem liczby ludności, zwiększonym wykorzystaniem energochłonnych technologii, zmianami w polityce i zmianami w podejściu ludzi do środowiska i dobrostanu przyszłych pokoleń. Szacuje się, że do 2050 r. światowe zapotrzebowanie na energię podwoi się. Jest mało prawdopodobne, aby szybko wyczerpujące się rezerwy paliw kopalnych były w stanie pokryć to zapotrzebowanie, dlatego też nowe źródła energii będą miały kluczowe znaczenie.
Jedną z głównych przeszkód na drodze do zrównoważonej gospodarki wodorowej jest to, że obecnie stosowane metody ekstrakcji wodoru z większych cząsteczek opierają się na energii elektrycznej, a energia elektryczna jest w dużej mierze wytwarzana metodami powodującymi zanieczyszczenie. Jeśli ekstrakcja wodoru odbywa się przy wykorzystaniu energii elektrycznej z elektrowni węglowej, nie ma znaczenia, że ogniwo paliwowe nie zanieczyszcza środowiska, bo zanieczyszczenie powstało w trakcie ekstrakcji wodoru. Jeśli wodór ma stać się rzeczywiście wolnym od zanieczyszczeń źródłem energii, energia elektryczna wykorzystywana do ekstrakcji wodoru musi być wytwarzana metodami wolnymi od zanieczyszczeń, takimi jak energia słoneczna. Obecnie nie ma to zazwyczaj miejsca, zatem prawdziwie zrównoważona gospodarka wodorowa będzie wymagała znaczących zmian w wytwarzaniu energii elektrycznej.
Problemem jest także przechowywanie. Paliwo wodorowe magazynowane jest w postaci sprężonej cieczy, a jego część z czasem odparowuje. Jeżeli samochód wodorowy nie jest regularnie używany, straty wynikające z parowania znacznie zwiększą całkowity koszt paliwa. Sprężanie ciekłego wodoru do objętości, którą można przewozić w samochodzie, również wymaga dużo energii, a energię tę można wytwarzać metodami powodującymi zanieczyszczenie.
Niektórzy eksperci uważają, że ulepszenia w produkcji i magazynowaniu wodoru doprowadzą do zrównoważonej gospodarki wodorowej za 15–30 lat. Idea gospodarki wodorowej ma jednak swoich przeciwników, z których wielu uważa, że taka gospodarka nigdy nie będzie zrównoważona, a nasze zasoby można by lepiej wykorzystać do eksploracji innych form produkcji energii. Minie wiele lat, zanim stanie się jasne, czy wodór rzeczywiście jest paliwem przyszłości.
Więcej informacji
Powiązane artykuły HowStuffWorks
-
Jak działają ogniwa paliwowe?
-
Jak działa gospodarka wodorowa?
-
Jaka jest różnica między samochodem napędzanym ogniwami paliwowymi a samochodem wodorowym dostępnym na żądanie?
-
Jak działają ceny benzyny
-
Jakie są niebezpieczeństwa związane z samochodami napędzanymi wodorem?
-
Jak działają samochody hybrydowe?
-
Jak działa globalne ocieplenie
-
Jak działają silniki samochodowe?
Inne świetne linki
-
www.fueleconomy.gov
-
Ogniwa paliwowe 2000
-Nowa
-Honda FCX Clarity
- Departament Energii USA
Źródła
-
Bossel, Ulf i Eliasson, Baldur. „Energia i gospodarka wodorowa”. 8 stycznia 2003. http://www.metanol.org/pdf/HydrogenEconomyReport2003.pdf
-
Carseek. „Technologia pojazdów wykorzystujących wodorowe ogniwa paliwowe”. http://www.carseek.com/articles/hydrogen-fuel-cell-car.html
-
Clayton, Mark. „Rosnące wezwanie: ogranicz import ropy z USA”. Monitor nauki chrześcijańskiej. 5 maja 2005. http://www.csmonitor.com/2005/0505/p01s04-usfp.html
— Friedemann, Alicja. „Gospodarka wodorowa to energetyczna i ekonomiczna czarna dziura”. Zmiana Kultury. Wrzesień 2004. (22 sierpnia 2008) http://www.culturechange.org/alt_energy.htm
-
Gizmag. „Honda jest gotowa wypuścić samochód na wodorowe ogniwa paliwowe i przydomową stację benzynową”. (22 sierpnia 2008) http://www.gizmag.com/honda-fuel-cell-fcx/8394/
-
Hall, Kevin G. „Niezależność od ropy jest możliwa, ale czy USA naprawdę tego chcą?” Strażnik dziennika Milwaukee. 4 marca 2006. http://www.jsonline.com/story/index.aspx?id=40957
-
Huffman, Marek. „Pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi przynoszą nadzieję, jeśli nie ulgę”. Sprawy konsumenckie. 25 czerwca 2008. http://www.consumeraffairs.com/news04/2008/06/fuel_cell.html
-
Llanos, Miguel. „Samochody napędzane wodorem są gotowe do jazdy – za odpowiednią cenę”. MSNBC. 23 czerwca 2004. http://www.msnbc.msn.com/id/453676/
-Sinha, Vandana. „Volkswagen wyrusza w drogę samochodem napędzanym wodorowymi ogniwami paliwowymi”. Dziennik biznesowy Waszyngtonu. 11 sierpnia 2008. http://www.bizjournals.com/washington/stories/2008/08/11/daily14.html? ana=od_rss
- Vergano, Dan. „Na razie pojazdy wodorowe są paliwem na przyszłość”. USA DZIŚ. 21 lipca 2008. http://www.usatoday.com/tech/science/columnist/vergano/2008-07-20-hydrogen-cars_N.htm
