Каждый раз, когда вы заправляете машину бензином, вы немного истощаете мировые запасы ископаемого топлива. . Эти виды топлива, включая нефть и уголь , представляют собой сконденсированные остатки живых организмов доисторических времен. Запасы этих видов топлива ограничены и в конечном итоге закончатся. Хуже того, большая часть этих поставок нефти контролируется несколькими странами, наделенными обилием нефти, и эти страны могут диктовать как поставки нефти, так и ее цену. Кроме того, зависимость от ископаемого топлива такой страны, как Соединенные Штаты, еще больше усложняет и без того сложные вопросы международных отношений и национальной безопасности. Ископаемое топливо удовлетворяло большую часть мировых потребностей в энергии на протяжении нескольких столетий, но существует предел того, как долго оно может продолжать это делать в будущем.
Вселенная, в которой мы живем, примерно на 75 процентов состоит из водорода, хотя здесь, на поверхности Земли, на удивление мало чистого водорода. Газообразный водород обычно существует в виде H2 молекулы, в которых два атома водорода связаны друг с другом. Поскольку H2 молекулы настолько легки, что неудерживаемый газообразный водород может легко подняться в верхнюю часть земной атмосферы и фактически уйти в космос. Большая часть водорода на уровне земли связана в молекулярной форме с другими элементами — например, в воде, где водород соединяется с кислородом, образуя H2 Молекулы О.
Существует несколько методов, которые можно использовать для получения чистого водорода из водородосодержащих молекул. Водород можно извлекать из природного газа (самый распространенный метод), его можно удалять из воды с помощью электролиза или производить биологическим путем из водорослей или определенных видов бактерий. Некоторые из наиболее многообещающих методов производства водорода все еще изучаются, в то время как другие, такие как извлечение из природного газа, широко используются.
В 1970 году химик Джон Бокрис ввел термин водородная экономика. для обозначения будущего, в котором все транспортные средства будут использовать водород в качестве топлива. Важным шагом в этом направлении стала разработка устройства под названием топливный элемент. , который вырабатывает электроэнергию, используя водород. Крупные производители автомобилей уже выпустили концептуальные автомобили, работающие на топливных элементах, например, Volkswagen Tiguan HyMotion и внедорожник Chevrolet Equinox Fuel Cell, а по крайней мере одна модель производства водородных топливных элементов уже доступна в Калифорнии — Honda FCX Clarity.
Содержание
Одним из наиболее важных преимуществ водородной экономики является то, что топливные элементы не загрязняют окружающую среду. Выбросы углерода не производятся, когда электричество вырабатывается в топливном элементе. Водородный топливный элемент производит два побочных продукта — тепло и воду. Если бы каждое транспортное средство на дороге работало на водородном топливном элементе, знакомые облака смога, которые висят над многими городами США, в основном из-за выхлопных газов автомобилей, в значительной степени исчезли бы. По данным Агентства по охране окружающей среды, половина всех американцев проживает в районах, где уровень загрязнения настолько высок, что это оказывает негативное воздействие на здоровье человека, поэтому снижение уровня смога было бы значительным преимуществом.
Двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают топливо, полученное из элемента углерод. , производят несколько побочных продуктов, в первую очередь двуокись углерода , вода , и мельчайшие частицы материи, которые мы называем сажей . Сажа при попадании в воздух, которым дышит человек, может вызвать астму, рак легких и другие заболевания. Кроме того, большинство ученых считают, что повышенное содержание углекислого газа в атмосфере способствует глобальному потеплению, которое в конечном итоге может привести к разрушительным климатическим изменениям на большей части нашей планеты.
Переход с двигателей внутреннего сгорания на экологически чистые источники топлива, такие как водород, будет иметь важное значение для уменьшения этих проблем в 21 st . век. Но учитывая, что сегодня на дорогах более 130 миллионов автомобилей с бензиновым двигателем, маловероятно, что автомобили на топливных элементах в ближайшем будущем будут иметь достаточное значение для значительного улучшения состояния окружающей среды. По оценкам, первые автомобили на топливных элементах будут стоить не менее 100 000 долларов, что сделает их недоступными для обычного водителя. Еще один момент, который следует отметить, заключается в том, что инфраструктура, необходимая для того, чтобы сделать эти автомобили практичными, включая заводы по производству водорода и заправочные станции, еще не доступна. Некоторые наблюдатели считают, что в краткосрочной перспективе экологические изменения произойдут за счет комбинированного использования водородных автомобилей и других типов транспортных средств, включая электромобили с батарейным питанием и автомобили, использующие другие альтернативные виды топлива.
Существующее загрязнение атмосферы не исчезнет в ближайшее время. Сажа оседает из атмосферы в течение нескольких недель или месяцев, а углекислый газ остается в воздухе значительно дольше. Даже если бы все источники выбросов углерода были устранены сегодня, потребуются десятилетия, чтобы уровень углерода в атмосфере вернулся к норме. Кроме того, автомобили являются лишь одним из источников выбросов углерода. Другие, такие как электростанции, работающие на угле, также должны быть значительно сокращены, чтобы предотвратить глобальное потепление.
Водородная эффективностьЕще одним важным преимуществом водородного топливного элемента является его эффективность. Двигатель внутреннего сгорания использует менее 20 процентов химической энергии бензина, что делает его относительно неэффективным процессом. Топливный элемент, напротив, значительно более эффективен, используя примерно 60 процентов энергии, доступной в водороде.
Более половины нефти, используемой в США, импортируется из других стран. Это оказывает значительное влияние на экономику США. Две трети этой импортируемой нефти используется для транспортировки. Поскольку так много нефти поступает из-за пределов Соединенных Штатов, изменения цен и предложения в значительной степени находятся вне нашего контроля. Большая часть нефти поступает из политически нестабильных регионов Ближнего Востока. Попытки освободить США от зависимости от ближневосточной нефти относятся к 1970-м годам; однако объем импортируемой нефти с тех пор фактически увеличился. Кроме того, после террористических событий 11 сентября 2001 года беспокойство по поводу нефтяной зависимости США стало еще больше.
Еще одна проблема с нашей зависимостью от нефти заключается в том, что рост цен на нефть влияет на всю экономику США, повышая цену практически на любой продукт, в производстве которого используется нефть или для реализации которого требуется нефть. Цены на нефть резко выросли в последние годы, при этом цены на бензин и дизельное топливо в течение всего 2008 года колебались в диапазоне от 4 до 5 долларов за галлон.
Будет ли водород дешевле бензина? По оценкам Министерства энергетики США, топливные элементы текущего поколения производят электроэнергию по цене примерно 225 долларов за киловатт. К сожалению, цены должны упасть примерно до 30 долларов за киловатт, прежде чем водород сможет конкурировать с бензином в качестве топлива; однако Национальный исследовательский совет прогнозирует, что стоимость самого водорода, измеренная в расчете на милю, вскоре может быть на 50 процентов ниже, чем текущая стоимость бензина. Очевидно, что это преимущество будет неуклонно возрастать по мере роста цены на газ. Эффективность преобразования водорода в электричество также дает ему существенное преимущество.
Могут ли водородные автомобили помочь избавиться от нашей нефтяной зависимости? Водородные транспортные средства помогут уменьшить эту зависимость, но, вероятно, пройдут десятилетия, прежде чем водородные транспортные средства будут использоваться в повседневной жизни, чтобы существенно повлиять на импорт нефти. Однако в долгосрочной перспективе влияние водородных автомобилей может быть значительным.
Водородные автомобили — это не только автомобили будущего. Несколько автомобилей на топливных элементах (или FCV) уже находятся на дорогах:
Если водородная экономика собирается обеспечить Соединенным Штатам будущее, свободное от загрязнения и зависимости от иностранной нефти, она должна быть устойчивой. То есть он должен быть в состоянии идти в ногу с ростом населения, увеличением использования энергозатратных технологий, изменениями в политике и изменениями в отношении людей к окружающей среде и благополучию будущих поколений. По оценкам, к 2050 году мировые потребности в энергии удвоятся. Маловероятно, что быстро сокращающиеся запасы ископаемого топлива смогут удовлетворить этот спрос, поэтому решающее значение будут иметь новые источники энергии.
Одним из главных препятствий на пути к устойчивой водородной экономике является то, что методы, используемые в настоящее время для извлечения водорода из более крупных молекул, основаны на электричестве, а электричество вырабатывается в основном методами, создающими загрязнение. Если добыча водорода осуществляется с использованием электроэнергии угольной электростанции, не имеет значения, что топливный элемент не загрязняет окружающую среду, потому что загрязнение произошло при извлечении водорода. Если водород должен быть действительно экологически чистым источником энергии, электричество, используемое для извлечения водорода, должно быть произведено экологически чистым методом, таким как солнечная энергия. В настоящее время это обычно не так, поэтому по-настоящему устойчивая водородная экономика потребует существенных изменений в производстве электроэнергии.
С хранением тоже беда. Водородное топливо хранится в сжатой жидкой форме, и со временем часть его испаряется. Если водородный автомобиль не эксплуатируется регулярно, потери на испарение значительно увеличат общий расход топлива. А для сжатия жидкого водорода до объема, который можно перевозить в автомобиле, также требуется много энергии, и эта энергия могла быть получена с использованием методов, вызывающих загрязнение.
Некоторые эксперты считают, что улучшения в производстве и хранении водорода приведут к устойчивой водородной экономике через 15-30 лет. Однако у идеи водородной экономики есть противники, многие из которых считают, что такая экономика никогда не может быть устойчивой и что наши ресурсы лучше использовать для изучения других форм производства энергии. Могут пройти годы, прежде чем станет ясно, действительно ли водород является топливом будущего.
Связанные статьи HowStuffWorks
Больше отличных ссылок
Источники
Каковы различные типы автомобильных двигателей
Каковы преимущества вождения электромобиля?
Каковы преимущества очистки двигателя? 10 основных преимуществ!
Каковы распространенные проблемы с топливной системой?
Каковы наиболее распространенные поломки автомобилей?