Автомобиль будущего уже здесь. Конечно, вы еще не можете купить его; но если вы живете в Калифорнии, вы можете взять его напрокат. Он не использует бензин и не загрязняет воздух. По сути, он производит пар вместо выхлопа. Так что же такое загадочное топливо? Водород — самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной. А некоторые считают, что через 20–30 лет мы все будем водить эти экономичные автомобили, работающие на водороде.
Хотя автомобили с водородным двигателем имеют черты научной фантастики, эта идея на самом деле не нова. На самом деле, технология использования водорода для выработки электроэнергии существует с первой половины 19-го века — это дольше, чем существуют автомобили. Что нового, так это то, что вы можете увидеть на дороге автомобиль с водородным двигателем, из выхлопной трубы которого выходит пар, а не дурно пахнущие газы. В настоящее время существует несколько водородных автомобилей, но большинство из них являются концепт-карами. Среди этих экологичных транспортных средств — Chevrolet Equinox, BMW 745h и Honda FCX, которую в настоящее время можно взять в аренду в Калифорнии.
Что делает водородный автомобиль возможным, так это устройство, называемое топливным элементом. , который преобразует водород в электричество, выделяя в качестве побочных продуктов только тепло и воду. Поскольку водород не загрязняет окружающую среду, он кажется идеальным топливом для 21 века. Многие люди в правительстве и автомобильной промышленности в восторге от его потенциала. Водородные автомобили потенциально могут быть экономичными и дают надежду на экологически чистое вождение. Но есть еще много проблем, которые необходимо решить, и вопросов, на которые нужно ответить, прежде чем водород станет предпочтительным топливом для достаточного количества людей, чтобы существенно изменить наше нынешнее использование ископаемого топлива. Например, где мы возьмем водород? Насколько дорогими будут эти экономичные автомобили? Сможете ли вы найти водородную заправочную станцию, чтобы пополнить свой бак? И, пожалуй, самое главное, действительно ли водород в качестве топлива так безвреден, как кажется?
Мы рассмотрим эти вопросы на следующих страницах, но мы можем дать вам один краткий ответ прямо сейчас:если вы не живете в очень специфических частях страны и у вас нет карманов с наличными, не ждите водородного автомобиля. на вашей подъездной дорожке в течение следующего десятилетия.
Содержание
В 1839 году валлийский ученый сэр Уильям Роберт Гроув взял знакомый электрохимический процесс электролиза, в котором электричество используется для получения водорода из воды, и обратил его вспять, получив электричество и воду из водорода. Он назвал свое изобретение газовой гальванической батареей, но сегодня мы знаем его как водородный топливный элемент. Гораздо позже, в середине 20 века, технологию доработал изобретатель Фрэнсис Бэкон. Технология, которую разработали эти два изобретателя, необходима для работы водородного автомобиля.
Первая практическая система топливных элементов была разработана в начале 1960-х годов компанией General Electric для использования в орбитальных космических капсулах. А затем, в 1990-х годах, в городских автобусах начали появляться топливные элементы. поэтому мы знаем, что заправлять транспортные средства топливными элементами вполне возможно. Вы можете думать о топливном элементе как о батарее, за исключением того, что, хотя батарея хранит топливо внутри себя, топливный элемент необходимо пополнять. Топливом для водородного топливного элемента, как следует из названия, является водород. Как вы, возможно, помните из школьного курса химии, водород — самый простой из всех элементов. Атом водорода состоит из одного электрона и одного протона. Топливный элемент вырабатывает электричество, отделяя электроны от протонов и используя электроны для создания чистого потока электричества. Затем ионизированные атомы водорода соединяются с кислородом, образуя воду. Другим побочным продуктом этого процесса является тепло, поэтому эта вода обычно принимает форму пара. Как вам экологичное вождение?
Тип топливного элемента, используемого в автомобилях, представляет собой топливный элемент с полимерной обменной мембраной (или PEM). Топливные элементы PEM имеют то преимущество, что они легкие и маленькие. Они состоят из двух электродов (отрицательно заряженного анода и положительно заряженного катода), катализатора и мембраны. Водород нагнетается в топливный элемент на аноде в виде молекул H2, каждая из которых содержит два атома водорода. Катализатор на аноде разбивает молекулы на ионы водорода (протоны) и поток электричества (электроны). Ионы проходят через мембрану, но электричество должно циркулировать. Пока он это делает, его можно использовать для работы. Подобно тому, как водород нагнетается в топливный элемент на аноде, кислород нагнетается на катоде. Протоны и электроны воссоединяются на катоде и соединяются с кислородом, образуя воду, большая часть которой становится выхлопом топливного элемента. Топливные элементы спроектированы плоскими и тонкими, в основном для того, чтобы их можно было штабелировать. Чем больше топливных элементов в блоке, тем большее напряжение электричества производит блок.
Многие люди думают, что экономичные транспортные средства, такие как автомобили с водородным двигателем, будут иметь решающее значение для удовлетворения потребностей в энергии в 21 веке. В 2003 году президент Джордж Буш объявил об Инициативе Freedom Fuel стоимостью 1,2 миллиарда долларов в поддержку развития технологии топливных элементов. Топливные элементы имеют два основных преимущества перед ископаемым топливом. Во-первых, они не истощают ограниченные мировые запасы нефти, что помогает нам сохранить существующие запасы, а также могут уменьшить нашу зависимость от иностранной нефти. Во-вторых, единственным побочным продуктом работы топливного элемента является тепло и вода, что означает, что топливные элементы не производят загрязнения. Это жизненно важно в то время, когда считается, что выбросы углерода от автомобилей способствуют глобальному потеплению.
На следующей странице мы рассмотрим, как производятся водородные автомобили и топливные элементы. И, возможно, что более важно, мы посмотрим, откуда берется сам водород.
Так как же производители на самом деле создают экономичные автомобили, такие как автомобили на топливных элементах? Что ж, производство автомобилей на водороде не сильно отличается от производства обычных автомобилей. Конечно, например, трансмиссия и электрические системы будут в чем-то уникальными, потому что электричество вырабатывается топливным элементом. Таким образом, автомобиль на водороде и электромобиль имеют много общего в этом отношении. Возможно, более важный вопрос заключается в том, как будет производиться сам водород. Учитывая, что водород — самый распространенный элемент во Вселенной, составляющий примерно 90 процентов существующих атомов, можно подумать, что это не проблема. Ну, подумайте еще раз. Водород также является самым легким элементом во Вселенной, и любой неудерживаемый водород на поверхности Земли немедленно улетит в открытый космос. Оставшийся на этой планете водород связан с другими элементами в молекулярной форме, чаще всего в молекулах воды (H2O). И так случилось, что на поверхности Земли много H2O.
Но как нам отделить молекулы водорода в воде от молекул кислорода? И если мы не используем воду в качестве источника водорода, откуда еще мы можем получить водород?
Самый простой способ получения водорода из воды — это тот, о котором сэр Уильям Гроув знал более 150 лет назад:электролиз. Если вы пропускаете электрический ток через воду, молекулы H2O разрушаются. Подобно работе топливного элемента, в этом процессе используются анод и катод, обычно изготавливаемые из инертных металлов. При подаче на воду электрического тока на катоде образуется водород, а на аноде – кислород. Хотя этот процесс медленный, его можно выполнять в больших масштабах.
Альтернативным источником водорода является природный газ, состоящий из встречающихся в природе углеводородов. Процесс, называемый паровой конверсией, может использоваться для отделения водорода в газе от углерода. В настоящее время это наиболее распространенный метод производства водорода в промышленных масштабах, и, вероятно, это будет первый метод, используемый для производства водорода для транспортных средств на топливных элементах. К сожалению, в этом процессе используется ископаемое топливо — природный газ, поэтому, если цель создания автомобилей, работающих на водороде, — избежать истощения запасов ископаемого топлива, природный газ будет наихудшим из возможных источников этого топлива.
Некоторые эксперты предположили, что можно построить миниатюрные водородные установки, которые поместятся в гараже среднего человека, так что даже не нужно будет ехать на местную заправочную станцию, чтобы заполнить водородный бак автомобиля. Самой крайней формой этой идеи было предположение, что электролиз можно проводить внутри самого автомобиля, что сделало бы возможной поразительную идею автомобиля, работающего на воде! Однако электроэнергия для электролиза должна поступать от какой-либо батареи, поэтому автомобиль, работающий от воды, необходимо периодически подзаряжать.
Итак, действительно ли экологически чистые автомобили, такие как автомобили, оснащенные топливными элементами, являются автомобилями будущего? Многие люди на это надеются, но есть несколько потенциальных препятствий на пути к миру, где люди передвигаются на автомобилях, работающих на водороде. Мы рассмотрим их на следующей странице.
Многие люди считают, что водородные топливные элементы являются самой важной альтернативной топливной технологией, разрабатываемой в настоящее время. Однако это не без проблем, и могут пройти десятилетия, прежде чем технология топливных элементов получит широкое распространение. Мы можем грубо разделить проблемы, связанные с водородом, на три категории:затраты на разработку технологии, трудности и опасности, связанные с хранением водорода, и возможность того, что эта «экологически чистая технология» не так уж и экологически чиста. Вот некоторые из неудач водородных автомобилей, с которыми мы можем справиться в ближайшем будущем.
Затраты на разработку водородной технологии высоки. Мы должны не только спроектировать и разработать топливные элементы и автомобили, но и разработать инфраструктуру для поддержки этих экономичных транспортных средств. Представьте, если бы у вас сейчас был водородный автомобиль. Куда бы вы пошли, чтобы заполнить свой бак? Если предположить, что в вашем гараже нет завода по производству водорода, вам понадобится станция для заправки водородом, и единственное место, где на данный момент существует значительное количество таких станций, — это штат Калифорния, где губернатор Арнольд Шварценеггер стремится поддерживать водородное будущее. Некоторые из наиболее пессимистичных оценок предполагают, что стоимость строительства инфраструктуры, которая позволит значительному количеству водородных автомобилей, достигнет 500 миллиардов долларов, а время создания инфраструктуры составит четыре десятилетия!
Стоимость машин тоже высока. Поскольку платина является наиболее широко используемым катализатором в топливных элементах, цена одного транспортного средства на топливных элементах в настоящее время превышает 100 000 долларов США, а может быть, и значительно выше, поэтому единственные водородные автомобили, доступные для вождения на данный момент, сдаются в аренду. , не продается. Мало кто может позволить себе такую дорогую машину. Разрабатываются другие катализаторы, которые, вероятно, будут дешевле платины, но никто не знает, как скоро они станут доступными для широкомасштабного использования.
Проблема хранения тоже актуальна. Водород — это газ, и он любит распространяться. Поместить его в машину означает сжать его до разумных размеров, а это непросто. Кроме того, водород нагревается, пока находится в баке припаркованного автомобиля, что приводит к расширению газа. Это означает, что баки должны периодически выпускать водород из автомобиля. Оставьте водородный автомобиль без дела более чем на несколько дней, и все топливо закончится. Водород также легко воспламеняется — некоторые считают, что впечатляющий взрыв дирижабля «Гинденбург» в 1930-х годах был результатом возгорания водорода, поэтому, если водород вырвется из бака, он может быть опасным. . К счастью, водородные пожары не такие горячие, как бензиновые, и с меньшей вероятностью могут вызвать вторичные возгорания. А поскольку водород поднимается вверх, большая часть ускользнувшего водорода уплывет, прежде чем сможет причинить какой-либо вред.
И действительно ли водород не загрязняет окружающую среду? Топливный элемент производит только тепло и воду в качестве выхлопных газов, но процессы, используемые для производства водорода, не обязательно такие чистые. В электролизе используется электричество, и это электричество часто поступает от электростанций, сжигающих уголь, являющийся сильно загрязняющим окружающую среду источником. А при извлечении водорода из природного газа образуются выбросы углерода, а именно этого мы и пытаемся избежать, в первую очередь используя водород.
Многие думают, что в конце концов мы преодолеем эти препятствия, но это будет непросто. Другие считают, что лучший выбор для экономии топлива и экологичного вождения в ближайшем будущем — это не водород, а гибридные электромобили, такие как Toyota Prius, гибрид Ford Fusion и другие подобные гибридные автомобили. Тем не менее, вполне возможно, что в ближайшие пару десятилетий у вас появится автомобиль на водородных топливных элементах.
Для получения дополнительной информации об альтернативных видах топлива, гибридных автомобилях и других связанных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.
Автомобили с автоматическим управлением:как они работают и работают ли они на самом деле?
Как работает автомобильная система рулевого управления?
Как работают беспилотные автомобили? Правда
Как работают автомобили на топливных элементах?
Как искусственный интеллект работает в автомобилях?