Водородный транспорт
Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород.
Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, с газотурбинными двигателями, так и с водородными топливными элементами.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на водороде, использует высокое давление для хранения газа, который затем смешивается с воздухом и воспламеняется свечой зажигания. Быстрое сгорание создает давление в камере, приводящее в движение поршни и коленчатый вал.
Принцип работы такой же, как и у других ДВС работающих на бензине или газе.
Водородные ДВС разрабатываются не столько в расчете на частных автовладельцев, сколько на компании, эксплуатирующие смешанные топливные парки. Например, двигатель Man с системой хранения водорода высокой емкости под давлением имеет мощность от 290 л.с. до 500 л.с.
Транспорт, работающий на водородных топливных элементах по сути — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором.
Водород поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Плюсы водородного двигателя
- Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
- Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
- Бесшумная работа двигателя;
- Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами.
Минусы водородного двигателя
- Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3.1, а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
- Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
- Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
- Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз, из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.
Проблемы инфраструктуры и производства
Несмотря на потенциал водородных двигателей, заинтересованность государств и автопроизводителей, серийное производство до сих пор остается серьезным вызовом. Основная проблема заключается в сложности хранения и перевозки водорода, требующего специальных условий из-за летучести.
Изучаются различные технологии, такие как сжатый водород, жидкий водород и твердотельные хранилища. Сжатый водород требует высокого давления и специальных баллонов, что может быть опасно и неудобно для людей. Для жидкого водорода необходимы очень низкие температуры и специальные изоляционные материалы, что также делает его не слишком удобным в автомобилях.
Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал, что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией», которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.