Защо светът не говори за водородните автомобили, след като вече са факт

от 10 дек 2017г., обновено на 11 дек 2017г.

Водородът е най-простият, лек и изобилен елемент във вселената – той разполага с по един протон и един електрон. Освен това той може да генерира огромни количества енергия – за целта е необходимо присъствието на кислород и запалител. Огромният проблем с този вид гориво е въпросът дали водородът е безопасен. Всички притеснения се коренят в инцидента с дирижабъла Хинденбург, задвижван с водород, който на 6 май 1937 г. се подпалва и при катастрофата умират 36 човека. За пожара е виновна статична искра, но трябва да отбележим, че 35 от 36-те жертви умират, защото в паниката си скачат от дирижабъла… Така възниква скептицизмът относно водородното гориво и безопасното му приложение в ежедневието ни.

Към момента на пазара има три автомобилни компании, които предлагат коли, задвижвани с водородни горивни клетки. Първият автомобил бе представен през 2013 г. – Hyundai ix35, след което се появи и Toyota Mirai – и повече от 12 други концерна разработват свои модели.

Карането на автомобил, задвижван от водородно гориво, си има своите плюсове и минуси. От една страна, тези коли са природосъобразни, като същевременно изминават много повече километри с едно зареждане от електрическите автомобили, поради простата причина, че можете да напълните колата с много повече водород. От друга страна станции за презареждане на водород почти няма. Предизвикателство е да се сдобиеш с водороден автомобил, който е едновременно природосъобразен и ефикасен.

Toyota Mirai

Как работи водородната горивна клетка?

Водородната горивна клетка е проста машина. В ядрото на тази технология стои мембрана за обмен на протони. От едната страна на мембраната има чист водород, а от другата – обикновен въздух. Обикновеният въздух се състои от 80% азот и 20% чист кислород, плюс минимални количества други вещества. Мембраната за обмен на протони е изключително важна, защото водородните и кислородните атоми наистина се "харесват". Те обичат да правят тройки: два водородни атома и един кислороден винаги искат да се слеят и да създадат водна молекула.

Мембраната позволява на водородните атоми да преминават към кислорода, но само ако водородните атоми отдадат електрони по пътя. За да се случи това, по стените на горивната клетка инженерите са поставили силно проводими метали като платината, така че електроните отиват именно там и обикалят клетката, за да се върнат при водородните атоми; това действие създава електрически ток, който може да бъде използван. Когато кислородът и водородът се групират отново, се получава водна молекула (вода) и малко електричество. Получавате енергия, без производството на вредни за околната среда вторични продукти. Гениално, нали?

Очаква се Lexus (дъщерна компания на Toyota) да представят своя водороден автомобил до 2020 г.

Загадката на водорода - как да се сдобием с него

Водородът всъщност не е източник на енергия, той е неин преносител. С други думи енергийният преносител се нуждае от енергия, която да транспортира (подобно на електричеството). Но първо трябва да създадем водород. Това става чрез процес, наречен реформинг, и съществуват няколко възможни метода.

Първият проблем с розовия сценарий е, че водородът и кислородът дотолкова се обичат, че водородът почти не съществува самостоятелно в нашата атмосфера. Той се превръща във вода или водни пари, които покриват по-голяма част от планетата ни. Затова преди да можем да се сдобием с тази енергия, трябва да създадем малко свободен водород, който да поставим във водородната горивна клетка.

Съществуват много начини да получим водород, като някои са по-странни от останалите. През XIX в. хората пускали железни стружки във варели със сярна киселина. При химичната реакция се отделя водород, с който надували балони и ги издигали във въздуха. Методът работи, но не е приложим в по-големи мащаби и след това остават варели с токсични отпадъци, с които трябва да направите нещо. Така че го отписваме.

Освен това, за да разделите водните молекули, можете да използвате електричество – т. нар. електролиза, и ще получите чисти водород и кислород. Което си е страхотно, но законите на термодинамиката повеляват, че никога няма да получите толкова електричество, колкото сте вложили в системата, за да разбиете водните молекули. По-добре да използвате електричеството, за да заредите самата батерия. Освен това, голяма част от електрическия ток в света се произвежда чрез изгарянето на въглища, което определено не може да се нарече природосъобразно или както е модерно „зелено”.

Audi представи своя водороден модел през 2016 г.

Третият начин за произвеждане на водород е също толкова проблематичен. Можете да използвате природен газ и да разбиете въглеводородните молекули, за да освободите водорода. Но това означава, че все още ще сме зависими от фосилните горива. Освен това при процеса се отделя и въглероден диоксид, който всички знаем, че е парников газ. Предполагам схванахте иронията?

Е, преди да приключим темата за производството на зелена енергия от водород, трябва да споменем, че се изследва синтеза на елемента чрез водорасли. Но това остава засега в зоната на хипотетичното.

А как да го задържим?

Освен сдобиването с водород, съществува и друг голям проблем – неговото съхранение в автомобила. Автомобилните компании вече използват някои техники. Водородът може да се съхранява под формата на газ под високо налягане или като изключително студена течност – криогенен водород. Този метод е подходящ за складирането на водорода в горивните помпи, но не е практичен за пренасянето му през цялата горивна система на автомобила. Освен това криогенната течност изисква допълнителна система, която да поддържа ниската температура на водорода. Това би добавило допълнително тегло към автомобила, което ще се отрази върху енергийната ефективност на превозното средство – ще гори повече енергия.

За да не се повтори случая с дирижабъла Хинденбург, инженерите трябва да разработят и подходящи резервоари. Едната възможност е те да са стоманени. Стоманата е достатъчно устойчива и при инцидент резервоарът би издържал на удара, без да се спука. Но съществува проблем – водородът е много по-лек и по-разреден от бензина. Това означава, че резервоарът ще трябва да е доста по-голям от конвенционалните, а стоманата е тежка и ще увеличи значително теглото на автомобила.

Композитните материали изглеждат по-добър вариант от стоманата. Полиетиленовите резервоари са леки, могат да бъдат оформяни спрямо конструкцията на автомобилите и да стават на прах при удар, освобождавайки безопасно водорода в атмосферата.

Водородът може да се съхранява и в материали, които задържат елемента и го изпускат, когато е необходимо. Металният хидрид например може да впримчва водородните молекули в композитната си структура. След това при нагряване водородните молекули се освобождават. Онова, което прави тази технология още по-примамлива, е, че топлината, необходима за освобождаването на водорода от металните резервоари, може да дойде от остатъчната топлина, произведена във водородната горивна клетка.

Италианската дизайнерска къща Pininfarina също има свое предложение

Доста добро гориво

Проблемът с генерирането на чист водород е фактът, който го възпрепятства да бъде перфектното гориво. Въпреки това е по-чисто и "зелено" да го извличаме от природния газ (или от метанола, който може да създаваме от растителните отпадъци), отколкото да горим бензин в двигатели с вътрешно горене. Освен това с увеличаването на възможностите на слънчевите генератори, за производството на водород може също така да се използва слънчевата енергия. Все още не можем да се справим с термодинамичните загуби при превръщането на светлинната енергия в електричество, електричеството във водород и водородът отново в електричество, но поне разполагаме с неизчерпаем засега източник на слънчева енергия и при процеса не се отделят вредни газове в атмосферата. Разбира се, трябва да създадем подходящи и ефективни слънчеви панели, а това е съпътствано с редица предизвикателства.

Да, водородът не е перфектен, но е доста добро гориво. Със сигурност е по-добър от горенето на рафинирани нефтени горива.

BMW също планира през 2020 г. да изкара на пазара водороден модел, който ще изминава 500 км с едно зареждане

Защо ще виждаме все повече водородни автомобили в бъдеще?

За да разберем наистина стойността на захранваната с водород кола, трябва да я разгледаме в контекста на електрическите автомобили. Кардиналното правило на алтернативните горива е, че не съществува универсално решение, което да работи във всеки един случай. Електрическите автомобили с батерии изискват много време за презареждане, а достъпното електричество си има ограничен обхват. Хибридите използват фосилни горива до някаква степен, но пък можете да скочите в тях и да изминете дълги разстояния с лесно и бързо презареждане. Автомобилите на водород запълват тази ниша: не отделят вредни емисии, зареждат се бързо, минават големи разстояния с едно зареждане и водородните станциите могат да бъдат разположени навсякъде без ограничения.