Паровые трубы на геотермальной электростанции Вайракей. Кажется, что каждый день в новостях появляется новое сообщение об автомобилях, работающих на топливных элементах. Обещания заманчивы, поскольку топливные элементы могут очень быстро удвоить эффективность автомобилей при значительном снижении загрязнения воздуха.
В то же время в течение десятилетий появлялись новости о проблемах, связанных с нефтью. Во всем, от разливов нефти до предупреждений об озоновом слое и глобального потепления, обвиняют нашу зависимость от ископаемого топлива.
Эти две силы ведут мир к тому, что широко известно как водородная экономика. . Если прогнозы верны, в течение следующих нескольких десятилетий мы все станем свидетелями удивительного перехода от экономики, основанной на ископаемом топливе, к более чистому водородному будущему.
Сможет ли общество совершить этот сдвиг, или технологические, экономические и политические барьеры будут привязывать нас к нефти и другим ископаемым видам топлива в следующем столетии и далее? В этой статье вы узнаете о преимуществах водородной экономики, а также о ее потенциальных проблемах. Мы также рассмотрим некоторые технологии, которые сделают переход возможным.
Содержание
В настоящее время Соединенные Штаты и большая часть мира привязаны к тому, что можно было бы назвать экономией на ископаемом топливе. . Наши автомобили, поезда и самолеты питаются почти исключительно нефтепродуктами, такими как бензин и дизельное топливо. Огромный процент наших электростанций использует в качестве топлива нефть, природный газ и уголь.
 |
Если поток ископаемого топлива в Соединенные Штаты когда-либо прекратится, экономика остановится. Не было бы возможности транспортировать продукцию, которую производят фабрики. Люди не смогут ездить на работу. Вся экономика и фактически все западное общество в настоящее время зависят от ископаемого топлива.
Хотя ископаемое топливо сыграло важную роль в развитии общества, оно создает четыре большие проблемы:
Загрязнение воздуха - Когда автомобили работают на бензине, они идеально сжигали бы его и не производили бы ничего, кроме углекислого газа и воды в своих выхлопах. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не идеален. В процессе сжигания бензина также образуется:
Каталитические нейтрализаторы устраняют большую часть этого загрязнения, но они не идеальны. Загрязнение воздуха автомобилями и электростанциями — настоящая проблема в больших городах.
 |
Уже достаточно плохо, что летом во многих городах уровень озона в воздухе опасен.
Загрязнение окружающей среды - Процесс транспортировки и хранения нефти оказывает большое влияние на окружающую среду, когда что-то идет не так.
 Супертанкеры загружаются нефтью в Саудовской Аравии |
Разлив нефти, взрыв трубопровода или пожар в колодце могут создать огромный беспорядок. Разлив Exxon Valdez — самый известный пример проблемы, но небольшие разливы случаются постоянно.
Глобальное потепление - Когда вы сжигаете галлон бензина в своем автомобиле, вы выбрасываете в атмосферу около 5 фунтов (2,3 кг) углерода. Если бы это был твердый углерод, это было бы чрезвычайно заметно — это было бы все равно, что выбрасывать 5-фунтовый мешок сахара из окна вашей машины за каждый сожженный галлон бензина. Но поскольку 5 фунтов углерода выходят в виде невидимого газа, двуокиси углерода, большинство из нас не замечают этого. Углекислый газ, выходящий из выхлопной трубы каждого автомобиля, является парниковым газом. что медленно повышает температуру планеты. Окончательные последствия неизвестны, но существует большая вероятность того, что в конечном итоге произойдут резкие изменения климата, которые затронут всех на планете. Например, если растают ледяные шапки, уровень моря значительно поднимется, затопив и уничтожив все существующие сегодня прибрежные города. Это большой побочный эффект.
Зависимость - Соединенные Штаты и большинство других стран не могут производить достаточно нефти для удовлетворения спроса, поэтому они импортируют ее из стран, богатых нефтью. Это создает экономическую зависимость. Когда производители нефти на Ближнем Востоке решают поднять цену на нефть, у остального мира нет иного выбора, кроме как заплатить более высокую цену.
В предыдущем разделе мы рассмотрели значительные глобальные проблемы, создаваемые ископаемым топливом. Водородная экономика обещает устранить все проблемы, которые создает экономика ископаемого топлива. Таким образом, преимущества водородной экономики включают:
Проблемы, связанные с экономикой на ископаемом топливе, настолько велики, а экологические преимущества водородной экономики настолько значительны, что стремление к водородной экономике становится очень сильным.
| Знаете ли вы? Датчики, обнаруживающие потенциальные утечки в водородном двигателе внутреннего сгорания, были разработаны НАСА для обнаружения утечек водорода во время запусков космических челноков. |
Главный вопрос водородной экономики:«Откуда берется водород?» После этого встает вопрос о транспортировке, распределении и хранении водорода. Водород имеет тенденцию быть громоздким и сложным в своей естественной газообразной форме.
Когда на оба эти вопроса будет дан экономический ответ, водородная экономика будет создана.
Мы рассмотрим каждый из этих вопросов отдельно в следующих разделах.
В
Одной из наиболее интересных проблем водородной экономики является сам водород. Откуда это придет? При экономии ископаемого топлива вы просто выкачиваете ископаемое топливо из-под земли (см. Как работает бурение нефтяных скважин) и очищаете его (см. Как работает нефтепереработка). Затем вы сжигаете его как источник энергии.
Большинство из нас воспринимают нефть, бензин, уголь и природный газ как нечто само собой разумеющееся, но на самом деле они творят чудеса. Эти ископаемые виды топлива представляют собой аккумулированную солнечную энергию. миллионы лет назад. Миллионы лет назад растения росли, используя для своего роста солнечную энергию. Они умерли и со временем превратились в нефть, уголь и природный газ. Когда мы выкачиваем нефть из-под земли, мы «бесплатно» подключаемся к этому огромному хранилищу солнечной энергии. Всякий раз, когда мы сжигаем галлон бензина, мы высвобождаем накопленную солнечную энергию.
В водородной экономике нет хранилища, к которому можно было бы подключиться. Мы должны создавать энергию в режиме реального времени.
Есть два возможных источника водорода:
Второй вариант, конечно, немного извращенный. Вы используете ископаемое топливо в качестве источника водорода для водородной экономики. Такой подход снижает загрязнение воздуха, но не решает ни проблему парниковых газов (потому что углерод все еще попадает в атмосферу), ни проблему зависимости (вам все еще нужна нефть). Однако это может быть хорошим временным шагом при переходе к водородной экономике. Когда вы слышите о «транспортных средствах на топливных элементах», разрабатываемых автомобильными компаниями прямо сейчас, почти все они планируют получать водород для топливных элементов из бензина с использованием риформинга. Причина в том, что бензин является легкодоступным источником водорода. Пока на каждом углу не появятся «водородные станции», как сейчас, это самый простой способ получить водород для питания топливных элементов автомобиля.
Что интересно в первом варианте, так это то, что он является ядром реальной водородной экономики. Чтобы иметь чисто водородную экономику , водород должен быть получен из возобновляемых источников а не ископаемое топливо, чтобы мы перестали выбрасывать углерод в атмосферу. Наличие достаточного количества электроэнергии для отделения водорода от воды и выработка этой электроэнергии без использования ископаемого топлива станет самым большим изменением, которое мы увидим в создании водородной экономики.
 Электростанция Бейсуотер (Новый Южный Уэльс, Австралия) вырабатывает электроэнергию с помощью пар для запуска турбогенераторов. |
Откуда будет браться электричество для электролиза воды? В настоящее время около 68 процентов (относительно) электроэнергии, производимой в Соединенных Штатах, производится из угля или природного газа. Все эти генерирующие мощности должны быть заменены возобновляемыми источниками в водородной экономике. Кроме того, вся энергия ископаемого топлива, используемая в настоящее время для транспорта (в автомобилях, грузовиках, поездах, лодках, самолетах), должна будет преобразовываться в водород, и этот водород также будет производиться с помощью электричества. Другими словами, электрические генерирующие мощности в стране должны будут удвоиться, чтобы удовлетворить потребности транспорта, а затем все они должны будут перейти с ископаемого топлива на возобновляемые источники. В этот момент и только в этот момент поток углерода в атмосферу прекратится.
В настоящее время существует несколько различных способов получения электроэнергии без использования ископаемого топлива:
 По часовой стрелке сверху справа:Солнечная электростанция; атомная электростанция; гидроэлектростанция; ветряная турбина |
В Соединенных Штатах около 20 процентов электроэнергии в настоящее время приходится на атомную энергетику, а 7 процентов — на гидроэлектростанции. Солнечные, ветровые, геотермальные и другие источники вырабатывают только 5% электроэнергии, что едва ли имеет значение.
В будущем, за исключением какого-либо технологического прорыва, вполне вероятно, что для создания водородной экономики произойдет одно из двух:резко возрастут мощности ядерной или солнечной энергетики. Помните, что в чисто водородной экономике мощность производства электроэнергии должна будет увеличиться примерно вдвое, потому что всю транспортную энергию, которая в настоящее время поступает из нефти, придется заменить водородом, вырабатываемым электричеством. Таким образом, количество электростанций удвоится, и все электростанции, работающие на ископаемом топливе, будут заменены.
Проблема производства электроэнергии, вероятно, является самым большим препятствием для водородной экономики. Как только технология будет усовершенствована и станет недорогой, автомобили на топливных элементах, работающие на водороде, смогут заменить бензиновые двигатели внутреннего сгорания в течение десятилетия или двух. Но заменить электростанции на атомные и солнечные может быть не так просто. Ядерная энергетика имеет политические и экологические проблемы, а солнечная энергетика в настоящее время имеет проблемы со стоимостью и местоположением.
| Открыто для бизнеса Заправочные станции водорода уже открыты в нескольких странах, включая США, Исландию, Японию и Германию. Посетите сайт FuelCells.org — Всемирные водородные заправочные станции, чтобы найти водородную заправку рядом с вами. |
На данный момент проблема с запуском автомобилей на чистом водороде связана с проблемой хранения/транспортировки. Водород — объемный газ, и с ним не так легко работать, как с бензином. Для сжатия газа требуется энергия, а сжатый водород содержит гораздо меньше энергии, чем тот же объем бензина. Однако решения проблемы хранения водорода появляются.
Например, водород можно хранить в твердой форме в химическом веществе под названием боргидрид натрия, и эта технология недавно появилась в новостях, потому что Chrysler ее тестирует. Это химическое вещество создается из буры (частый ингредиент некоторых моющих средств). Когда боргидрид натрия высвобождает водород, он снова превращается в буру, поэтому его можно перерабатывать.
Как только проблема хранения будет решена и стандартизирована, вокруг нее должна будет развиваться сеть водородных станций и транспортная инфраструктура. Основным препятствием для этого может быть технологический процесс сортировки. Станции не будут развиваться быстро, пока не появится технология хранения, которая явно доминирует на рынке. Например, если бы все автомобили с водородным двигателем всех производителей использовали боргидрид натрия, то сеть станций могла бы развиваться быстро; этакая стандартизация вряд ли произойдет быстро, если судить по истории.
Также может произойти технологический прорыв, который может быстро изменить правила игры. Например, если бы кто-то мог разработать недорогую аккумуляторную батарею с большой емкостью и быстрым временем перезарядки, электромобилям не понадобились бы топливные элементы и не было бы нужды в водороде на дорогах. Автомобили будут заряжаться напрямую от электричества.
В ближайшие месяцы вы будете все больше и больше слышать о водородной экономике в новостях, потому что барабанный бой становится все громче. Экологические проблемы экономики ископаемого топлива сочетаются с прорывами в технологии топливных элементов, и это сочетание позволит нам сделать первые шаги.
Самый очевидный шаг, который мы увидим, — это маркетинг автомобилей на топливных элементах. . Хотя изначально они будут работать на бензине и установках риформинга, топливные элементы воплощают в себе два основных преимущества по сравнению с двигателем внутреннего сгорания:
Бензиновые автомобили на топливных элементах — отличный переходный этап благодаря этим преимуществам.
Переход к экономике, основанной на чистом водороде будет тяжелее. Электростанции должны будут перейти на возобновляемые источники энергии, а рынок — согласовать способы хранения и транспортировки водорода. Эти препятствия, вероятно, сделают переход к водородной экономике довольно длительным процессом.
Похожие статьи
Больше отличных ссылок
Автомобильный регулятор напряжения (как он работает + как его протестировать)
Как работает вращающийся детонационный двигатель
Как работает гибридный налоговый кредит
Как работает тестирование EPA на экономию топлива
Как работает водородная экономика