Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?

Сам по себе водород является побочным продуктом энергетического процесса и по идее должен уничтожаться, поскольку его скопление очень опасно. Но энергетики решили найти ему практическое применение.

Водород в качестве альтернативного топлива

Транспортные средства достаточно активно используют природные источники энергии, потребляя около трети всей нефти, добываемой в мире, и из всех видов транспорта автомобили являются наиболее энергоемкими. Использование углеводородного топлива на нефтяной основе сопровождается выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Это приводит к глобальному загрязнению окружающей среды. В качестве альтернативы предлагается начать активно использовать гидроген и на его основе устанавливать в машины топливные элементы. Давайте сначала поймем, почему выбор пал на этот изотоп.

Водород (H2) - один из немногих газов, широко распространенный на планете, обладающий высокой теплотвотворной способностью. Это абсолютно бесцветный газ, без вкуса и без запаха, из-за чего экологи ратуют за его применение в качестве топлива. Можно отметить, что он очень перспективный энергоноситель. Промышленный процесс его получения таков, что когда вещество соединяется с кислородом, образуется вода и выделяется определенное количество тепла. Это сгорание не вызывает вредных выбросов в окружающую среду, в частности двуокиси углерода. При горении с доступом кислорода снова образуется вода, которую можно использовать повторно. Это делает источник энергии самообновляемым, а отсутствие вредных веществ – экологически чистым и безвредным для окружающей среды. 

Идея создания углеводородного электродвигателя пришла с запада, а точнее из Америки. Интерес к газу как альтернативному питанию для транспорта обусловлен, прежде всего:

• возможностью использования топливных элементов в FCEV (fuel cell vehicle) в электромобилях топливного типа без выбросов;
• быстрой заправкой автомашин, занимающей от 3 до 5 минут;
• эффективностью ТЭ с точки зрения расхода и стоимости;
• возможностью получения его из углеводородов, биомассы и мусора;
• потенциалом для отечественного производства.

Принцип действия ТЭ основан на прокачивании кислорода и водорода через катоды и аноды, контактирующими с платиновым катализатором. В результате происходит химическая реакция, в которой образуется вода и электрический ток. Топливный элемент, подсоединенный к электродвигателю, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем бензиновый мотор внутреннего сгорания. 

Следует отметить, что большинство развитых стран охотно переходят на водородный изотоп и начали строить АЗС на его основе. Заправки появились в Японии, США и Германии. Также крупные автомобильные концерны готовы предложить новые разработки автомобилей с водородными ТЭ. Немалый интерес к этому типу горючего проявляют авиаконструкторы и уже фирмой “Боинг” был разработан самолет “Джамбо Джет” на основе водорода. А перекись водорода, являющаяся соединением водорода, применяется в электромоторах ракет и подводных лодок. Более подробную информацию о топливе можно прочитать в статье “Почему биотопливо считается перспективным направлением?”

Плюсы и минусы

У вида горючего есть сторонники, которые уверены, что за водородом будущее. Но есть и скептики, которые находят больше минусов, чем плюсов. Взвесим все “за” и “против”.

Плюсы водородного топлива.

• Наверное, самым главным плюсом является его экологичность. При эксплуатации других марок топлива образуются вредные выхлопы, загрязняющие воздух. У углеводорода с ними проблем нет. Все, что остается после внутреннего сгорания – это водяной пар. Безусловно, при расходовании сгорают разные масла, но их токсичный выброс в разы меньше по сравнению с бензиновым.  
• Простота конструкции и ее использование. Для мотора не требуется сложных систем подачи горючего, которые пока есть в современных авто и которые не отличаются надежностью, а порой бывают даже опасны.  У электродвигателей с искровым зажиганием, которые работают на водородном изотопе, имеется возможность качественно регулировать топливоздушную смесь. Этот газ также способен сделать маленькие двигатели достаточно мощными, а авто высокоскоростными.
• Водородное топливо делает движение автомобиля полностью бесшумным.
• Нельзя не игнорировать тот факт, что КПД электродвигателя, работающего на углеводороде, намного выше, чем у бензинового двигателя внутреннего сгорания.
• И еще одно “за”. Этот элемент самый распространенный во Вселенной занимающий более 86% атомов, и в отличие от запасов нефти, он никогда не закончится и на нем не придется экономить. 

Что же говорят скептики, отрицая возможность его применения?

• На сегодняшний день способ получения в промышленных объемах достаточно дорогой и сложный. Сам по себе в чистом виде изотоп не существует, он летуч и для его добычи необходимы определенные технологии, которые требуют денежных вложений и определенных затрат. 
• Сложности при хранении и транспортировке газа. До сих пор не разработаны стандарты хранения и перевозки, так как никаких значимых экспериментов не проводилось. Это вновь потребует денежных инвестиций.
• Несмотря на более простую систему углеводородного двигателя относительного бензинового, она пока не совершенна. Под ее установку требуются автомобили больших габаритов, что делает выпуск транспортных средств более дорогим. Безусловно, эту проблему можно решить, если проводить дополнительные разработки и эксперименты, но пока ими мало кто занимается.  
• Сложности перевода производства на добычу и переработку гидрогена. Дело в том, что для его добычи требуются совершенно другие машины и механизмы, отличные от тех, которые используются для добычи нефти. Не все предприятия готовы потратить деньги на модернизацию своего производства и переход на новейшие стандарты. К тому же из-за малоизученности элемента промышленные гиганты не готовы рисковать, не зная, как отреагируют потребители.
• Недоверие покупателей. Еще один фактор, сдерживающий полное внедрение газа. Пока еще общество скептически относится к новшеству, предпочитая проверенные средства заправки. Из-за этого в мире небольшой процент АЗС, полностью готовых обеспечивать этим видом горючего. 

Как видим, пока обоснованных минусов больше. Отсутствие стандартов добычи, переработки, хранения водородного изотопа, а также приемлемых конструкторских решений ведет к недоверию общества, которое пока не готово пересаживаться на новые водородные авто, а промышленность не видит целесообразности проводить реконструкцию производства из-за низкого спроса.

Как работает топливный элемент?

В статье уже упоминалось о топливном элементе, который планируется устанавливать в автомобилях нового типа. Давайте подробнее познакомимся с его принципом действия. 

Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразует энергию, хранящуюся в химической формуле, в электроэнергию, воду и тепло. Он состоит из двух электродов: анода и катода. Для их изготовления используют угольные пластины, покрытые платиной. На аноде подающийся гидроген распадается, при потере электрона. В это время кислород на катоде соединяется с пришедшим патроном.  По большому счету топливный элемент можно сравнить с батареей, у которой вырабатывается постоянный ток в результате химической реакции. Разница между ТЭ и батареей заключается в том, что он не накапливает электричество, не разряжается и его не нужно повторно заряжать. Он будет работать до тех пор, пока имеется запас топлива и воздуха. Отличительной особенностью еще можно назвать то, что элементы не сжигают топливо, как другие электрогнераторы.

Еще к плюсам углеводородных двигателей можно отнести их способность работать при низких температурах, что сокращает время запуска. Это происходит благодаря графитовым ячейкам, которые  дают возможность проходить реагентам с сохранением электрического контакта с электролитом. Благодаря этому в холода не придется прогревать двигатель.

Правда у таких элементов имеется одна особенность. Низкая плотность изотопа несет с собой трудности проектирования системы для его хранения в машине. Для хранения придется использовать бак, превышающий обычный в 800 раз. Но сегодня разработаны основные решения для его хранения:

• в сжатом виде, когда он находится в баллонах;
• на криогенных станциях, где газ хранится при низкой температуре;
• в виде сплавов (металл и гидрид), поглощающих водород.

Пока заправка авто с водородным двигателем весьма дорогой процесс, требующий гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который обеспечивает запечатанную систему.

Массовые авто на водороде: быть или не быть?

Однозначно ответить на этот вопрос пока нельзя. Конечно, попытки создать или получить усовершенствованное экологически чистое и дешевое горючее не будут остановлены. Возможно, разработки будут вестись в совершенно другом направлении и гидроген не станет единственным альтернативным вариантом. Пока же некоторые дилерские центры готовы предложить автомобили на водородном изотопе. Так, уже есть марки Toyota, Honda, Mercedes-Benz, Hyundai, но их стоимость достаточно высока. Проходят испытания Ford, Nissan, Daimler и Volkswagen. Большой энтузиазм по внедрению проявляют азиатские страны, в частности Япония, Китай и Южная Корея. В этих странах наибольшие показатели ВЗС (водородно заправочных станций). Правительства этих стран проводят активную политику по внедрению легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных частицах, а также расширяют сети для промышленного производства горючего.

Европейские страны, хотя и не в отстающих, но все же не спешат переводить автопром на водород.  Связано это с минусами, которые были рассмотрены выше. К тому же государствам придется серьезно раскошелиться, чтобы содержать водородные станции. Водородным заправочным станциям непросто заменить разветвленную сеть обычных АЗС и по сегодняшним подсчетам она может обойтись более полутора триллионов долларов США. Еще одним сложным аспектом является получение самого изотопа. Сегодня используют:

• паровую конверсию метана и природного газа;
• электролиз воды и газификацию угля;
• пиролиз и частичное окисление;
• биотехнологии.

В качестве последних серьезно рассматривают возможность получать газ из солнечной энергии, энергии ветра, из биомассы (с помощью бактерий) и отходов (путем их сжигания). Пока все методы имеют свои несовершенства, над которыми ученым и энергетикам еще предстоит поработать.

Подводя итоги, надо сказать, что успех внедрения углеводородного топлива и его использования во многом будет зависеть от сотрудничества стран и государств в этой области. Пока что уровень не очень высок. Не проводятся массовые испытания, не разрабатываются необходимые стандарты и не проводятся информационно-рекламные мероприятия призванные повысить интерес населения к новому горючему. Процесс перехода будет осуществляться постепенно и возможно займет не одно десятилетие. Однако в перспективе водород как вид топлива может быть очень востребован и для этого имеются все предпосылки.