Есть ли шансы на успех? Почему автомобили на водороде до сих пор не стали явью

1
84

Сегодня, что ни разговор про экологию, так тут же звучит слово «водород». Топливо будущего, топливо будущего… Скоро вместо бензина будет водород и вместо солярки тоже, и вместо метана. Ведь это же сплошная «экология», никакого дыма, никакого углекислого газа и парникового эффекта. Футуристический проект, который почему-то никак не становится повседневным явлением. Почему? Попробуем разобраться.

Geo Thermal Power Plants - Hydrogen fuel filling station in Reykjavik - part of a plan to try and make Iceland a ' hydrogen Economy '

Водород (Н2) в качестве топлива для ДВС автомобилей на самом деле не так хорош, как об этом весёлые дилетанты постоянно щебечут по телевизору и рассуждают в прочих СМИ. Прежде всего, экономически (и экологически) выгодного способа получения водорода в стратегических масштабах пока не придумали. Надо сказать, что чистого водорода где-то в далёком космосе полным-полно, это самый распространённый элемент во Вселенной.

Но мы живём на планете Земля, где водорода в чистом виде, вот беда, нет почти совсем. Его можно добыть только электролизом (электрическим разложением) воды или переработкой всё тех же природного газа-метана, нефти или угля. Разработаны процессы получения водорода даже из биомассы. Но во всех случаях необходима дополнительная энергия, дорогое сырьё, сложный и не быстрый процесс, а суммарные затраты на производство этого газа пока что превосходят результат, причём намного.

Теплота сгорания водорода, если оценивать по весу (но не по объёму!) в несколько раз больше, чем у всех прочих видов топлива, он совершенно безвреден для живых организмов, не вызывает коррозии металлов, не портится сам и это прекрасно. Теоретически, при сжигании водорода образуется только водяной пар, поэтому, прежде всего, с точки зрения экологов, он также очень хорош. Соединяясь с кислородом в двигателе и отдав энергию, водород опять становится водой, в виде пара. Получается, что это даже не горючее в полном смысле слова, а только такой, слегка необычный способ передачи и хранения энергии. Но этот элемент крайне взрывоопасен, он воспламеняется в смеси с воздухом от малейшей искры, уже при концентрации в 4%. И до 96%! Достаточно вспомнить страшные катастрофы наполненных водородом дирижаблей в первой половине XX века или взрыв на взлёте американского космического шаттла «Колумбия». В то же время, благодаря своей малой молекуле, водород настолько текуч, что под давлением он легко проникает через уплотнения, пластмассы п даже напрямую сквозь сталь (!), попутно реагируя и делая её при этом хрупкой (водородное охрупчивание).

1367805154243367_big_photo
Катастрофа дирижабля «Гинденбург»

Не так-то просто будет обеспечить безопасную многолетнюю эксплуатацию миллионов водородных машин, их массовую заправку без привлечения сапёрных подразделений, постоянный контроль над техническим состоянием и массовый ремонт водородных систем питания с гарантированным качеством.

Спустимся с теоретических небес на нашу суровую землю и оглянемся вокруг. Самые современные бензиновые автомобили любого класса, и те, то и дело, по разным причинам, вспыхивают и сгорают, как свечки, часто с трагическими последствиями. Но бензин всё-таки сначала горит, а только потом (да и то, лишь иногда) взрывается. Водород — совсем другое дело. Результат, скажем, встречного столкновения на большой скорости двух водородных суперкаров с полными «баками» под давлением в 350–700 атмосфер, будет такой, что у чудом выживших свидетелей надолго пропадёт тяга к компьютерным стрелялкам, игре «Дозор», стритрейсингу, бейсджампингу, трейнсёрфингу и прочему драйву и адреналину!

Шутки-шутками, но, в самом деле: не страшно ли будет даже гулять по городу, дыша чистым воздухом, когда рядом будут проноситься сотни таких вот бомб на колёсах? Должна быть решена и проблема безопасного хранения больших объёмов водорода на заправочных станциях, его перевозки и перекачки в эти хранилища. Кто-нибудь, где-нибудь обязательно забудет до конца закрыть какой-нибудь краник или не вовремя заменит прокладочку… Для террористов водородные станции — просто подарок! Да и без этих личностей хлопот хватает. Этот сверхлёгкий газ коварен, он может, например, утекая, скапливаться пузырём под бетонным потолком гаражного бокса и висеть там до тех пор, пока не проскочит маленькая искорка в светильнике!

Что же касается экологии, то и здесь не всё так просто. Да, всеми так ненавидимой углекислоты водородный автомобиль добавляет в атмосферу меньше чем спящий мышонок, это истинная правда. Но давайте вспомним, сколько в нашем воздухе совсем  безобидного и инертного… азота? Правильно, очень много, около 80%. В обычных условиях этот газ не соединяется с кислородом. А вот в камере сгорания водородного двигателя температура достигает почти 3000°С. В таком бело-голубом пламени оксиды азота, те самые канцерогенные NO, плодятся в огромном количестве. Но они-то гораздо вреднее чем и СО и СО2 вместе взятые!

Баллоны с водородом занимают приличный объём
Баллоны с водородом занимают приличный объём

Чтобы уменьшить их образование мотору придётся работать в «холодном» режиме на очень бедных смесях с малым содержанием водорода, а это — потеря мощности. Да и масло на стенках цилиндров (а куда же без него?) будет выгорать при высокой температуре более интенсивно, вызывая выделение того же СО, альдегидов и всякой прочей гадости. Сгорание  — есть сгорание, пусть даже и водородное, но другие вещества по соседству никуда не денутся, и реагировать друг с другом не перестанут. Так что без маленького, но дорогого нейтрализатора, видимо, опять не обойтись. Получается, что чистота сгорания опять будет обеспечиваться дополнительным агрегатом. Кстати, оказалось, что, попадая в моторное масло, наш «гидрогениум» окисляется, превращается в воду и нарушает смазку. Склонен водород к детонации и к преждевременному воспламенению на впуске от раскалённых клапанов и свечей в цилиндрах, а также к соединению при определённых условиях с тем же азотом с образованием ядовитого аммиака (NH3). Неспроста взор конструкторов водородной тематики обратился не так давно к двигателям Ванкеля. Здесь топливная смесь сначала поступает в относительно холодную часть корпуса и только потом доставляется ротором до камеры сгорания. Да и клапанов у «ванкеля» нет. Плохо только то, что масла в нём сгорает в несколько раз больше, чем в поршневом моторе, стало быть, экология опять страдает.

Водородные заправки уже работают
Водородные заправки уже работают

И вот ещё такой нюанс. Если водород начнёт производиться в глобальных масштабах, резко возрастёт и его неизбежная утечка в атмосферу. При том, что, по мнению многих специалистов, свободный водород, стремительно поднимаясь вверх, охотно соединяется на небесах с активным озоном (О3) и превращает в простую дистиллированную водичку драгоценный озоновый слой нашей планеты.

Другим чисто экономическим препятствием для водородной энергетики становится устойчивое снижение цены на нефть и газ в последние годы. Да и вообще, метан и бензин гораздо проще и выгоднее сжигать непосредственно, чем возиться с их «переделкой» в опасный водород.

Заправка водородом несложна
Заправка водородом несложна

В общем, с этим, таким, на первый взгляд перспективным, «топливом будущего», трудностей пока хватает, просто все о них как-то странно и скромно помалкивают. Тем не менее прогресс не стоит на месте, и водород начинает постепенно применяться. Но не для классических двигателей внутреннего сгорания, а в топливных элементах электромобилей. В корпусе элемента размещены два полюса-электрода, разделённые особой ионообменной мембраной (твёрдый электролит). Водород подаётся к отрицательному полюсу (аноду), кислород — к положительному (катоду). Процесс обеспечивает платиновый катализатор на углеродной ткани, помещённый с обеих сторон мембраны между анодом и катодом. Молекулы водорода под действием катализатора распадаются на аноде на положительные протоны (Н+) и отрицательные электроны (е-). Электроны задерживаются мембраной и остаются на аноде. Протоны проходят сквозь мембрану а катод, производя электрический ток. Объединив несколько сотен таких элементов в батарею, мы получаем достаточную для привода электромобиля мощность.

Водородомобили могут быть футуристической внешности…
Водородомобили могут быть футуристической внешности…

При включении в цепь тягового электромотора электромобиля или другого потребителя энергии, электроны бегут с анода на катод, где кислород соединяется с молекулярным водородом с образованием воды в виде горячего пара. Так из электрохимической реакции получается электроэнергия. На «выхлопе» образуется только чистая дистиллированная вода и тепло, причём, в отличие от процесса сгорания водорода, тут нет оксидов азота и других нехороших веществ. Если вы хорошо учились в школе, то, вероятно, уже догадались, что это не что иное, как электролиз, только наоборот.

…и не отличаться от обычных машин (Toyota Mirai — первый  серийный автомобиль на водородном топливе)
…и не отличаться от обычных машин (Toyota Mirai — первый
серийный автомобиль на водородном топливе)

У топливного элемента очень высокий КПД (от 50 до 70%), поэтому расход топлива таким электромобилем (или водородомобилем, как его правильнее величать?) будет невелик. Но для работы этого чудо-агрегата топливо всё-таки необходимо. Это может быть чистый водород или другое горючее (метан, метанол, этанол, даже привычный бензин), которое непосредственно «на борту» будет превращено в водород в специальном аппарате — реформере или конверторе, с названием ещё пока тоже не определились. Необходим ещё и сжатый кислород, который тоже надо где-то хранить, и который тоже взрыво- и пожароопасен, хотя применяются менее эффективные, но более безопасные воздушные топливные элементы. Кроме того, есть более простые проекты использования в ДВС метано-водородных и бензино-водородных топливных смесей. В этом случае водород интенсифицирует сгорание углеводородного топлива, и выхлоп получается более чистым. Ну, что ж, поживём, и что-нибудь интересное увидим…

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.