Вы знаете этот сценарий. Вы заезжаете на заправку, заправляете бак и следите за тем, как тикают часы. Каждый раз, делая это, вы истощаете конечный ресурс. Ископаемое топливо — это просто сжатая доисторическая биомасса. Запасы сокращаются. Цены диктуются горсткой стран. А для такой страны, как США, зависимость от иностранной нефти — это головная боль в сфере национальной безопасности, которая, похоже, никогда не решается. Мы полагались на это грязное топливо на протяжении веков. Эпоха его использования подходит к концу.
Решение может буквально парить прямо над нашими головами.
Водородный парадокс
Вселенная в основном состоит из водорода. Около 75% всего, что существует, — это водород (H). Но что насчет Земли? Здесь чистого вещества не так много. Водород существует в виде молекул H2. Они настолько легкие, что если их не удерживать, они покидают гравитацию Земли и улетают в космос. Вот почему вы редко видите чистый водород вокруг. Обычно он связан с другими элементами. Самый известный пример — вода. H2O. Водород плюс кислород.
Чтобы получить чистый водород из этой смеси, требуется работа. Существует несколько методов. Самый распространенный способ прямо сейчас — извлечение его из природного газа. Также можно расщеплять молекулы воды с помощью электролиза. Исследователи даже изучают возможность биологического производства водорода из водорослей или определенных бактерий. Часть этого процесса уже является стандартной процедурой. Часть все еще находится в стадии лабораторных исследований.
Водородная экономика
Еще в 1970 году химик Джон Бокрис ввел термин водородная экономика. Идея была простой: будущее, в котором каждое транспортное средство работает на водороде. Это больше не мечта о несбыточном. У нас есть технологии.
Ключевым компонентом является топливный элемент. Он генерирует электричество с использованием водорода. Без сгорания. Только химия.
Автомобильные производители годами создают концепт-кары. Вспомните Volkswagen Tiguan HyMotion или Chevrolet Equinox Fuel Cell SUV. Это не просто чертежи. Вы действительно можете купить серийную модель в Калифорнии. Honda FCX Clarity уже на дорогах.
Никаких выбросов?
Обещание чистое. Единственным выбросом от автомобиля на топливных элементах является водяной пар. Вот и все. Никакого угарного газа. Никаких оксидов азота. Только влажный воздух.
Но есть препятствия. Откуда берется водород? Если вы производите его из природного газа, вы все еще используете ископаемое топливо. Вы просто перенесли загрязнение из выхлопной трубы на электростанцию. Действительно ли это лучше? Ответ зависит от энергосети. Если электричество для электролиза поступает от угольных станций, вы просто перекладываете проблему. Если оно поступает от ветряных или солнечных электростанций, уравнение полностью меняется.
Затем идет вопрос хранения. Водород имеет низкую объемную плотность энергии. Вам нужны баллоны высокого давления. Или криогенное охлаждение. Это добавляет вес. Сложность. Стоимость.
Инфраструктура — еще одна непреодолимая преграда. Общественных водородных заправок почти нет по сравнению с обычными бензоколонками. Пока не появится сеть, Honda FCX Clarity — это приятная новинка для ранних последователей в солнечных штатах. Это еще не решение для массового рынка.
Может ли водород заменить бензин? Да. Должен ли? Возможно. Технология работает. Физика обоснована. Политика запутанна. Экономика сложна. Мы ждем, пока цена упадет, а баки станут больше. До тех пор вы можете продолжать заправлять бензин. Или вы можете ездить в Калифорнии и наблюдать, как из вашего бампера капает вода.
Топливные элементы не просто снижают загрязнение. Они устраняют его. В частности, выбросы углерода. При выработке электроэнергии в водородном топливном элементе единственными побочными продуктами являются тепло и вода. Чистая вода. Если бы все автомобили на дорогах перешли на эту технологию, густой смог, задыхающий многие города США, в значительной степени исчез бы. Большая часть этого видимого тумана исходит от выхлопных газов автомобилей. Агентство по охране окружающей среды (EPA) отмечает, что половина всех американцев живет в районах, где уровень загрязнения негативно влияет на здоровье человека. Снижение уровня смога — это не только вопрос красивых видов. Это вопрос здоровья.
Двигатели внутреннего сгорания грязные. Они сжигают топливо на основе углерода. Побочные продукты включают диоксид углерода, воду и сажу. Эти мельчайшие частицы материи не просто исчезают. Когда люди вдыхают их, последствия могут быть серьезными. Астма. Рак легких. Другие респираторные заболевания. Затем есть диоксид углерода. Большинство ученых согласны с тем, что повышенное содержание CO2 в атмосфере способствует глобальному потеплению. Реальна угроза разрушительных климатических изменений по всей планете.
Переход к чистым источникам энергии
Переход от двигателей внутреннего сгорания к непачкающим источникам, таким как водород, имеет критическое значение для 21-го века. Нам нужно решить эти проблемы. Но реальность текущего автопарка сурова. Сегодня на дорогах находится более 130 миллионов автомобилей с бензиновыми двигателями. Автомобили на топливных элементах не внесут достаточно значимого вклада в ближайшем будущем, чтобы существенно сдвинуть показатели экологических улучшений. Барьером является не только идеология. Это экономика.
Ранние модели автомобилей на топливных элементах, вероятно, будут стоить не менее 100 000 долларов. Такая цена делает их недоступными для обычного водителя. Вы не можете купить себе выход из климатического кризиса, если автомобиль стоит столько же, сколько дом. Инфраструктура — еще один недостающий элемент. Нам нужны заводы по производству водорода. Нам нужны заправочные станции. Ни того, ни другого пока нет в необходимых масштабах. Некоторые наблюдатели утверждают, что краткосрочные экологические выгоды принесет комбинация технологий. Автомобили на водороде. Электромобили на аккумуляторных батареях. Другие альтернативные виды топлива. Гибридный подход к энергосетям.
Почему атмосферное загрязнение сохраняется
Существующее атмосферное загрязнение не исчезнет в ближайшее время. Тайминг имеет значение. Сажа оседает из атмосферы за недели или месяцы. Диоксид углерода остается значительно дольше. Десятилетия. Даже если бы мы сегодня полностью исключили все источники выбросов углерода, потребовались бы годы, чтобы уровень углерода в атмосфере вернулся к норме. Инерция климатической системы велика.
Автомобили — лишь один из источников выбросов углерода. Это значительный источник, но не единственный. Угольные электростанции также выбрасывают углерод в атмосферу. Чтобы предотвратить глобальное потепление, нам нужно сократить и эти выбросы. Это война на нескольких фронтах.
Эффективность водорода против бензина
Эффективность — еще одно важное преимущество водородного топливного элемента. Двигатель внутреннего сгорания — расточительное устройство. Оно использует менее 20 процентов химической энергии бензина. Остальное? Теряется в виде тепла. Топливный элемент значительно более эффективен. Он использует примерно 60 процентов энергии, доступной в водороде. Это огромная разница. Вы получаете больше миль на единицу энергии. Меньше отходов.
Больше никакой зависимости от иностранной нефти?
США импортируют более половины нефти, которую потребляют. Это поразительная цифра. Две трети этой импортируемой сырой нефти напрямую поступает в баки. Транспорт поглощает её в огромных количествах. Поскольку большая часть этой цепочки поставок находится за рубежом, мы не контролируем цены. Мы не контролируем каналы поставок. Значительная часть этого топлива поступает из Ближнего Востока. Это регионы, склонные к политической нестабильности.
США пытаются избавиться от этой зависимости с 1970-х годов. Стратегия провалилась. Импорт фактически вырос. Атаки 11 сентября 2001 года сделали зависимость ещё более опасной. Речь шла уже не только о деньгах. Речь шла о безопасности.
Кроме того, есть экономический удар. Когда цены на нефть взлетают, дорожает всё. Любой продукт, для производства или транспортировки которого используется нефть, становится дороже. Бензин и дизельное топливо в 2008 году стоили от 4 до 5 долларов за галлон. Это дорого. Это тянет вниз всю экономику.
Дешевле ли водород, чем бензин?
Математика здесь сложная. Министерство энергетики США оценивает стоимость топливных элементов текущего поколения примерно в 225 долларов за киловатт. Это неконкурентоспособно. Цены должны упасть до уровня около 30 долларов за киловатт, чтобы водород мог реально бросить вызов бензину как основному источнику топлива.
«Стоимость самого водорода, рассчитанная на милю пути, вскоре может оказаться на 50% ниже текущей стоимости бензина».
Национальный исследовательский совет заявляет, что стоимость топлива может составлять половину от стоимости бензина. Это преимущество возрастает по мере роста цен на бензин. Кроме того, водород преобразуется в электричество с высокой эффективностью. Это имеет большое значение.
Могут ли водородные автомобили разорвать зависимость от нефти?
Они могут помочь. Но не ожидайте быстрого решения. Вероятно, потребуется десятилетие, пока на дорогах не появится достаточно водородных автомобилей, чтобы существенно сократить импорт. Переход происходит медленно. Инфраструктура редка. Но в долгосрочной перспективе влияние может быть огромным.
Это не просто концепции. Несколько автомобилей на водородных топливных элементах (FCV) уже ездят по общественным дорогам.
Honda FCX Clarity
Это единственный FCV, доступный для аренды частным лицам. И даже тогда вы ограничены частями Калифорнии, где существуют водородные заправки. Аренда стоит 600 долларов в месяц. Первый автомобиль был передан семье в Калифорнии 25 июля 2008 года. Это нишевый продукт. Он дорогой. Но он реален.
Chevrolet Equinox Fuel Cell SUV
Chevrolet построил автопарки из этих автомобилей. Они курсировали по Калифорнии, Нью-Йорку и Вашингтону, округ Колумбия, чтобы продемонстрировать технологию. Вы не можете купить такой автомобиль. Вы не можете его арендовать. Это демонстрационный автомобиль. Он доказывает, что кузов типа внедорожник совместим со стеком топливных элементов. Вот и всё.
Volkswagen Tiguan HyMotion
Volkswagen также не продавал эту модель. HyMotion присоединился к Национальному водородному автопробегу. Он проехал от Портленда, штат Мэн, до Лос-Анджелеса. Это был пробег для подтверждения концепции. Ни один дилер не предлагает его.
BMW Hydrogen 7
BMW подарил этот автомобиль знаменитостям. Уилл Феррелл получил один из первых. За ним последовали другие. Он не предназначен для широкой публики. Это PR-ход. Знаменитости получали его для длительного использования. Это показывает, что технология работает. Это не означает, что вы сможете заказать его из Баварии уже завтра.
Является ли водородная экономика устойчивой?
Вопрос инфраструктуры стоит очень остро. Без заправок FCV остаются в выставочных залах или в испытательных автопарках. Экономика меняется, но стоимость оборудования остается высокой. Мы ждем, пока цена за киловатт рухнет. Мы ждем, когда заправки появятся в пригородах. Это долгая игра. Зависимость от нефти не будет излечена в течение одной модельного года.
Разрыв в устойчивости водородной энергетики
Если водородная экономика должна обеспечить Соединенным Штатам будущее, свободное от загрязнения и зависимости от иностранной нефти, она должна быть устойчивой. То есть она должна быть способна справляться с ростом населения, увеличением использования энергоемких технологий, изменениями в политике и изменениями в отношении людей к окружающей среде и благополучию будущих поколений. Было оценено, что мировая потребность в энергии удвоится к 2050 году. Маловероятно, что быстро истощающиеся запасы ископаемого топлива смогут удовлетворить этот спрос, поэтому новые источники энергии будут иметь решающее значение.
Одной из главных преград для устойчивой водородной экономики является то, что методы, используемые в настоящее время для извлечения водорода из более крупных молекул, зависят от электричества, а это электричество в основном производится методами, создающими загрязнение. Если извлечение водорода выполняется с использованием электроэнергии от угольной электростанции, не имеет значения, что топливный элемент не загрязняет окружающую среду, потому что загрязнение произошло при извлечении водорода. Если водород должен стать настоящим источником энергии без загрязнения, то электричество, используемое для извлечения водорода, должно быть произведено методом, не создающим загрязнения, таким как солнечная энергия. В настоящее время это обычно не так, поэтому по-настоящему устойчивая водородная экономика потребует существенных изменений в производстве электроэнергии.
Хранение также является проблемой. Водородное топливо хранится в сжатой жидкой форме, и со временем часть его испаряется. Если водородный автомобиль не используется регулярно, потери от испарения значительно увеличат общую стоимость топлива. А сжатие жидкого водорода до объема, который можно перевозить в автомобиле, также требует большого количества энергии, и эта энергия могла быть произведена методами, вызывающими загрязнение.
Некоторые эксперты считают, что улучшения в производстве и хранении водорода приведут к устойчивой водородной экономике через 15–30 лет. Однако идея водородной экономики имеет своих противников, многие из которых считают, что такая экономика никогда не будет устойчивой и что наши ресурсы лучше использовать для изучения других форм производства энергии. Пройдет еще много лет, прежде чем станет ясно, является ли водород действительно топливом будущего.
Больше информации
Связанные статьи HowStuffWorks
-
Как работают топливные элементы
-
Как работает водородная экономика
-
В чем разница между автомобилем на топливных элементах и автомобилем с водородом по требованию?
-
Как работают цены на бензин
-
Каковы опасности автомобилей на водородном топливе?
-
Как работают гибридные автомобили
-
Как работает глобальное потепление
-
Как работают автомобильные двигатели
Другие отличные ссылки
-
Fueleconomy.gov
-
Fuel Cells 2000
-
Nova
-
Honda FCX Clarity
-
Министерство энергетики США
Источники
-
Bossel, Ulf и Eliasson, Baldur. «Энергия и водородная экономика.» 8 января 2003. http://www.methanol.org/pdf/HydrogenEconomyReport2003.pdf
-
Carseek. «Технология автомобилей на водородных топливных элементах.» http://www.carseek.com/articles/hydrogen-fuel-cell-car.html
-
Clayton, Mark. «Растущий призыв: сократить импорт нефти США.» The Christian Science Monitor. 5 мая 2005. http://www.csmonitor.com/2005/0505/p01s04-usfp.html
-
Friedemann, Alice. «Водородная экономика — энергетическая и экономическая черная дыра.» Culture Change. Сентябрь 2004. (22 августа 2008) http://www.culturechange.org/alt_energy.htm
-
Gizmag. «Honda готова выпустить автомобиль на водородных топливных элементах и домашнюю заправочную станцию.» (22 августа 2008) http://www.gizmag.com/honda-fuel-cell-fcx/8394/
-
Hall, Kevin G. «Независимость от нефти возможна, но действительно ли США этого хочет?» Milwaukee Journal Sentinel. 4 марта 2006. http://www.jsonline.com/story/index.aspx?id=40957
-
Huffman, Mark. «Автомобили на водородных топливных элементах приносят надежду, если не облегчение.» ConsumerAffairs. 25 июня 2008. http://www.consumeraffairs.com/news04/2008/06/fuel_cell.html
-
Llanos, Miguel. «Водородные автомобили готовы к выезду — за определенную цену.» MSNBC. 23 июня 2004. http://www.msnbc.msn.com/id/453676/
-
Sinha, Vandana. «Volkswagen выходит на дорогу с автомобилем на водородных топливных элементах.» Washington Business Journal. 11 августа 2008. http://www.bizjournals.com/washington/stories/2008/08/11/daily14.html? ana=from_rss
-
Vergano, Dan. «На данный момент автомобили на водородном топливе — это топливо для будущих размышлений.» USA TODAY. 21 июля 2008. http://www.usatoday.com/tech/science/columnist/vergano/2008-07-20- hydrogen-cars_N.htm
