Как работают водородные топливные элементы

автомобильная промышленность, Зеленая мобильность, Автомобильные аккумуляторные батареи 23 февраля 2021

Работа водородных топливных элементов относительно проста. Их работа интересна тем, что для сгорания нужны только вода и энергия. Как мы знаем, экологический аспект имеет решающее значение для автомобилестроения в 21 веке. Узнайте, как работают современные водородные приводы и как решения Knauf могут поддержать их производительность.

Экологичная двигательная установка – как работают водородные топливные элементы?

Водород – первый элемент периодической таблицы. Это самый легкий и распространенный химический элемент во Вселенной. Его много на Земле, но в чистом виде он редко встречается. Однако его можно найти во многих других соединениях, в том числе и в воде.

Водород может использоваться в качестве топлива для различных транспортных средств – от скутеров и автобусов до космических ракет. Схема реакции, которая возникает при сжигании чистого газообразного водорода в кислороде, выглядит следующим образом:

2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂O (g) + energy

Поэтому процесс здесь чрезвычайно чистый – не образуется никаких дополнительных соединений, например, CO2 или других вредных веществ. Энергии, получаемой при сжигании водорода, достаточно для приведения в действие автомобиля. Несмотря на это, использование водорода в качестве экологически чистого источника энергии создает серьезную проблему: батареи, работающие на водороде, не являются экологически чистыми. Это связано с доступностью водорода – при имеющихся у нас условиях он лишь изредка доступен в форме, пригодной для использования в двигателях. Это означает, что мы должны получать его альтернативным способом. Существует несколько методов, но два из них стоит различать:

• Производство природного газа – паровое преобразование. Пар сочетается с метаном, в результате чего из моноксида углерода и водорода образуется синтез-газ.
  В ходе этого процесса выделяется значительное количество окиси углерода, но, несмотря на это, это все же более экологичный метод, чем сжигание ископаемого топлива.
• Зеленое производство водорода – это метод, основанный на возобновляемых источниках энергии. Высокая мощность электролизатора позволяет превращать воду в водород и кислород. Этот метод не способствует образованию химических соединений, вредных для окружающей среды.

См. также: Автомобили с водородным двигателем – стоимость, выбросы и рыночная информация

Факты о водородной двигательной установке – технология будущего или пережиток прошлого?

Водород, как сырье для производства автомобилей, является предметом дебатов на протяжении многих лет. Сегодня, однако, мы особенно близки к тому, чтобы широко использовать этот элемент для обеспечения высокой тяговой мощности. В настоящее время это решение не пользуется особой популярностью – в основном оно используется в больших автобусах. На рынке всего несколько тысяч автомобилей; чаще всего это демонстрационные автомобили или модели из частных коллекций.

Водородный двигатель, однако, страдает не от недостатка потенциала развития, а от отсутствия соответствующих исследований в этой области. Потенциал этого сырья признан большинством энергетических организаций. Поэтому ведутся передовые работы, направленные на то, чтобы сделать водородный топливный двигатель не только более эффективным, но и более доступным для ежедневного использования.

В настоящее время водородные технологии представляют интерес для тех стран, которые в наибольшей степени привержены программам климатических реформ, рассматривая это сырье как столь необходимую альтернативу электричеству. Однако пока еще не ясно, в какой степени энергетические установки смогут удовлетворить мировые потребности в эпоху электромобильности. Революция электромобилей, вероятно, потребует от нас полной реструктуризации транспорта и разработки альтернатив, которые позволят сотням тысяч электромобилей безопасно пользоваться электросетью. Возможно также, что водород, как высокопотенциальное сырье, навсегда останется в автомобильном секторе.

Воспользуйтесь преимуществами инноваций Knauf Industries – высококлассными компонентами из EPP для водородных топливных элементов

Электромобильность приносит не только новые возможности, но и вызовы. Для их реализации необходимы самые передовые решения. Опыт Knauf Automotive позволяет нам создавать инновации, которые помогают не только построить новую автомобильную отрасль, но и усовершенствовать существующие решения. Наша продукция предназначена для поддержки экологических решений. Мы стремимся предоставлять решения, пригодные для вторичной переработки и обеспечивающие добавленную стоимость на многих уровнях для клиентов.

Что касается водородных двигателей, то мы разработали высокотехнологичные решения с использованием таких материалов, как EPP. Перечень преимуществ EPP в защите купола для водородных судов является длинным.

Наиболее важным из них является амортизация ударов, так как основной задачей этой части является выполнение требований R134, который является регулированием для водородных суден. Детали из вспененного полипропилена должны быть стойкими к многократным ударам.

Другими ключевыми характеристиками компонентов из пенополипропилена для водородных сосудов являются:

• Легкость (детали с высоким рассеиванием энергии).
• Большой диапазон рабочих температур
• Химическая инерция
• Простота сборки
• Может поглощать изменение размеров сосудов

Те же самые характеристики делают EPP идеальным решением и для другого сектора «зеленой» мобильности – компонентов аккумуляторных батарей. Они позволяют снизить отрицательное влияние низких температур, которое негативно сказывается на их работе, без значительного увеличения веса автомобиля. Обеспечивая отличную электрическую и тепловую изоляцию, а также отличную ударопрочность, детали EPP являются важной частью решений, применяемых в электромобилях сейчас и будут применяться и в будущем.

Наши инженеры предлагают огромное количество различных решений для автомобильной промышленности, которые позволяют значительно улучшить функционирование электромобилей и автомобилей на водороде. Наш богатый опыт в сочетании с индивидуальным подходом позволяет нам сократить время вывода на рынок совершенно новых проектов, легко конфигурировать различные решения и быстро разрабатывать эффективные инновации, способствующие росту автомобильной промышленности в Европе и за ее пределами.

Преимущества водорода с точки зрения автомобилестроения

Это широко доступный, дешевый и эффективный элемент, поэтому уже сейчас стоит рассмотреть первоначальные мысли о моторе, в котором он будет использоваться. В настоящее время стоимость эксплуатации этого типа транспортных средств аналогична стоимости бензиновых автомобилей. Однако закупочная цена намного выше, а инфраструктура не так развита. Это те вопросы, которые, скорее всего, изменятся в будущем – и это будет значительным шагом на пути к улучшению экологической ситуации во всем мире.

См. также: Предложение компании «Кнауф Автомотив» по экологичным автокомпонентам из EPP.

Зачем United Airlines внедряет водородные двигатели?

United Airlines (UAL) приобрела долю в компании ZeroAvia, которая производит водородные авиадвигатели с нулевым углеродным следом. В рамках этой сделки гигант авиаперевозок планирует приобрести сто двигателей  ZA2000-RJ. С их помощью предполагается модернизировать самолёты, установив на них в качестве нового силового агрегата по два водородных двигателя.

Как сообщили в самой ZeroAvia, им удалось привлечь финансирование в размере $35 млн от пула компаний, в число которых вошла и United Airlines. Безусловно, инвестиции United Airlines в ZeroAvia трудно назвать значительными, но сам факт интереса компании к рынку водородных двигателей заслуживает внимания.

Как сейчас обстоят дела на рынке водородных двигателей и почему именно в эту область инвестирует авиаперевозчик?

Как работают водородные двигатели?

Водородные транспортные средства приводятся в движение обычным электрическим двигателем, который питается от аккумулятора. Почему же они называются водородными?

Все дело в способе зарядки аккумулятора. Например, аккумулятор электромобилей заряжается извне — на зарядной станции. А «на борту» у водородного транспорта есть собственная электростанция, которая и вырабатывает электричество для батареи.

Электричество на ней генерируется в ходе химической реакции, для которой нужны водород и кислород. Водород закачивается в топливный бак, а кислород берется прямо из воздуха — через воздухозаборник. В результате химической реакции образуются электричество и вода. Вода (а точнее, водяной пар) — это и есть «выхлопные газы» водородного двигателя. И никакого CO₂!

Рис. 1. Схема работы водородного двигателя, источник: medium.com

Почему водородные двигатели не прижились в автомобильной отрасли?

Основных причины две.

Стоимость. Чтобы проехать 600 километров на Hyundai Nexo, придется потратить на топливо примерно $99. Чтобы проехать то же расстояние на Tesla Model 3, достаточно зарядиться на $18. Получается, что ездить на водородном авто в 5,5 раз дороже.

Эффективность. По данным Volkswagen, коэффициент полезного действия электрических батарей составляет 76%. КПД водородного двигателя — всего 30%. Да, это выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (16-20%), но намного ниже, чем у электрокаров.

В итоге водородные двигатели пока так и не нашли широкого применение в автомобильной промышленности. Однако они вызвали интерес в сфере авиации, где не редкость долгие перелеты с необходимостью быстрой дозаправки.

Водородные двигатели: такие ли они «зелёные»?

Основным источником водорода для современной промышленности служат природный газ и, в меньшей степени, уголь. Так что, хотя сами водородные двигатели и не дают углеродных выбросов, цепочка производства топлива для них может и не быть абсолютно «зеленой».

Впрочем, производство водорода уже начинает диверсифицироваться в сторону альтернативных источников энергии. Один из основных факторов таких перемен — снижение стоимости энергии ветра, солнца и других возобновляемых источников. Оно делает экономически целесообразным развертывание систем электролиза: водород выделяется из воды с помощью электрического тока.

Как развивается рынок водородных двигателей в авиаотрасли

Говорить о широком применении водородных двигателей в авиаотрасли пока тоже не приходится. Чуть ли не единственная компания, которая занимается их разработкой, это ZeroAvia. В сентябре 2020 года компания осуществила первый в мире полет коммерческого самолета на водородных топливных элементах. 6-местный самолет, работающий исключительно на водородном топливе, провел в воздухе 8 минут и успешно приземлился. Именно после этого ZeroAvia отправила предложения по поводу модификации разработанной ею силовой установки десяти авиакомпаниям, которые проявили интерес к этой программе.

На данный момент United Airlines — самый крупный из авиаперевозчиков, проинвестировавших в разработку водородных двигателей. Ожидается, что двигатели ZA2000-RJ, которые покупает компания, будет попарно устанавливаться на самолеты United Express, выполняющие региональные рейсы. На сегодняшний день работа над ZA2000-RJ еще продолжается, и United Airlines планирует начать их использование только в 2028 году.

Рис. 2. Самолет Untited Express, источник: united.com

Пока сложно оценить объем потенциального рынка водородных авиадвигателей, потому что их технология еще не вполне сформировалась. ZeroAvia продолжает развиваться благодаря фондированию, получаемому от таких крупных компаний, как United Airlines.

Главная цель United Airlines — к 2050 году сократить выбросы парниковых газов на все 100%, не полагаясь на традиционные программы компенсации углеродного следа. Компания также инвестирует в производителей электрических авиадвигателей — в частности, в стартап Heart Aerospace.

Сравнение с конкурентами

Из всех авиаперевозчиков именно United Airlines демонстрирует самый большой оптимизм по поводу декарбонизации авиаперелетов. Компания уже три раза подряд завоевала звание «самого экологичного авиаперевозчика года», по версии журнала Air Transport World. Это, безусловно, улучшает ESG-рейтинг компании и ее имидж в глазах клиентов и инвесторов, но этим пока все и ограничивается.

Более того, ESG-рейтинг у American Airlines (AAL) находится на том же уровне, что и у «экологичной» United Airlines, а у Delta Airlines (DAL) он даже ниже (то есть лучше).

Рис. 3. ESG-рейтинги авиаперевозчиков, источник: Yahoo Finance

На текущий момент авиаперевозчиков все еще сложно сравнивать по классическим мультипликаторам P/E, ROE и Net Debt/Ebitda, потому что все три компании до сих пор остаются убыточными из-за влияния пандемии. По прогнозам аналитиков, авиасообщение полностью восстановится только в 2024 году.

Отношение обязательств к активам (L/A) у UAL и DAL практически одинаковое. Это же можно сказать и по поводу консенсус-прогноза потенциального роста акций (average target upside). Но при этом DAL с ее более хорошим ESG-рейтингом торгуется на 30% дороже, чем конкуренты, по мультипликатору P/S. А вот AAL с ее высокой долговой нагрузкой и сравнительно небольшим потенциалом роста котировок выглядит даже немного переоцененной.

Рис. 4. Сравнение авиаперевозчиков по мультипликаторам, источник: blackterminal. com

Мы не можем утверждать, что различие в коэффициенте P/S у UAL и DAL вызвано лишь разницей в их ESG-рейтингах. Оценка компании зависит от многих параметров: возраста авиапарка, маржинальности бизнеса, структуры долга, силы бренда. Но поскольку в данном случае речь идет о компаниях с одинаковыми прогнозами по росту акций и отношением L/A, очевидно, что на более высокую оценку DAL влияет ее более хороший ESG-рейтинг.

Мнение аналитиков InvestFuture

Идея водородных двигателей уже давно будоражит умы, но подобные инвестиции со стороны крупных компаний скорее похожи на покупку лотерейного билета. Пока рано говорить, что водородная авиация — это перспектива ближайшего времени, однако авиаперевозчики видят в ней большой потенциал.

Из последних инициатив United Airlines мы можем сделать вывод, что пока она больше остальных авиакомпаний заботится о своей ESG-репутации. И это влияет на ее оценку в глазах инвесторов. Пока сложно оценить, как скажется на маржинальности бизнеса UAL появление в авиапарке компании самолетов с водородными двигателями, но это точно поможет улучшить ее ESG- рейтинг, а значит, и повысить ее стоимость.

---

Аналитик Александр Холодов, редактор Сергей Глушков

InvestFuture.ru

Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей (Технический отчет)

Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей (Технический отчет) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Основная цель проекта заключается в разработке усовершенствованных и недорогих модификаций небольших (< 25 л.

с.) бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для работы на водородном топливе с сохранением той же производительности и долговечности. В этом заключительном техническом отчете обобщаются результаты i) деталей переоборудования нескольких небольших бензиновых двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде, ii) испытания на долговечность переоборудованного водородного двигателя и iii) демонстрации прототипа системы хранения твердого водорода с канистрами в комплекте. Пиковая мощность водородного двигателя достигает 60% мощности бензинового аналога. Попытки увеличить мощность двигателя с помощью различных опций, включая установку увеличенного турбокомпрессора, модернизацию заказных поршней с высокой степенью сжатия, усовершенствованную систему зажигания и различные типы систем впрыска топлива, не реализованы. Преобразованный двигатель Honda GC160 с системой ACS для работы на водородном топливе прошел успешно. Общее накопительное время работы составляет 785 часов. Разработан, изготовлен и продемонстрирован прототип системы хранения твердого водорода с канистрой в комплекте номинальной емкостью 1,2 кг.

Он способен поддерживать широкий диапазон выходной нагрузки водородного генератора.

Авторов:

Сапру, Кришна; Тан, Чжаошэн; Чао, Бен

Дата публикации:

30.09.2010

Исследовательская организация:

Energy Conversion Devices Incorporated

Организация-спонсор:

USDOE

Идентификатор ОСТИ:

1008335

Номер контракта с Министерством энергетики:  

ФК26-06НТ43026

Тип ресурса:

Технический отчет

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Разработка перспективных малых водородных двигателей . США: Н. П., 2010. Веб. дои: 10.2172/1008335.

Копировать в буфер обмена

Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Разработка перспективных малых водородных двигателей . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1008335

Копировать в буфер обмена

Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. 2010. «Разработка перспективных малых водородных двигателей». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1008335. https://www.osti.gov/servlets/purl/1008335.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_1008335,
title = {Разработка передовых малых водородных двигателей},
автор = {Сапру, Кришна и Тан, Чжаошэн и Чао, Бен},
abstractNote = {Основной целью проекта является разработка передовых и недорогих модификаций небольших (< 25 л.

с.) бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для работы на водородном топливе при сохранении той же производительности и долговечности. В этом заключительном техническом отчете обобщаются результаты i) деталей переоборудования нескольких небольших бензиновых двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде, ii) испытания на долговечность переоборудованного водородного двигателя и iii) демонстрации прототипа системы хранения твердого водорода с канистрами в комплекте. Пиковая мощность водородного двигателя достигает 60% мощности бензинового аналога. Попытки увеличить мощность двигателя с помощью различных опций, включая установку увеличенного турбокомпрессора, модернизацию заказных поршней с высокой степенью сжатия, усовершенствованную систему зажигания и различные типы систем впрыска топлива, не реализованы. Преобразованный двигатель Honda GC160 с системой ACS для работы на водородном топливе прошел успешно. Общее накопительное время работы составляет 785 часов. Разработан, изготовлен и продемонстрирован прототип системы хранения твердого водорода с канистрой в комплекте номинальной емкостью 1,2 кг. Он способен поддерживать широкий диапазон выходной нагрузки водородного генератора.},
дои = {10.2172/1008335},
URL = {https://www.osti.gov/biblio/1008335}, журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {2010},
месяц = ​​{9}
}

Копировать в буфер обмена

---

Посмотреть технический отчет (4,12 МБ)

https://doi.org/10.2172/1008335

---

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Безумие компании Big Auto по созданию автомобилей с водородным двигателем транспортные средства.

Хотя теперь Volkswagen, похоже, выбросил водород в мусорное ведро, другие крупные автопроизводители, такие как Toyota, Hyundai, Honda и BMW, продолжают вкладывать значительные средства в эту технологию.

Проверьте дату. На дворе февраль 2023 года. Автомобили с водородным двигателем все еще обсуждаются и даже «разрабатываются» некоторыми из крупнейших мировых автопроизводителей в 2023 году, которые формулируют свои многомиллиардные планы как «хеджирование своих ставок» или как «многостороннюю стратегию». .

Они даже заставляют политиков, таких как бывший премьер-министр Скотт Моррисон, водить и позировать на водородных автомобилях. Он не сделал бы и не сделал этого с электромобилем, поэтому продолжающееся стремление к тому, что, по мнению многих, является фундаментально ошибочной технологией, должно быть тщательно исследовано.

Прежде чем рассматривать вопрос о том, почему устаревшие автомобильные компании, ресурсные магнаты и представляющие их политики последние 20 лет так активно выступали за автомобили с водородным двигателем, важно сначала объяснить, почему автомобили с водородным двигателем так фундаментально несовершенны и будут никогда не приближались к конкуренции с аккумуляторными электромобилями.

Тим Уилсон, премьер-министр Скотт Моррисон, президент Toyota Australia Мэтью Каллачор и министр энергетики Ангус Тейлор фотографируются с автомобилем на водородном топливе в Мельбурне. (Изображение AAP/Pool, Уильям Уэст)

В настоящее время почти нигде в мире их на улицах нет, если не считать горстки, которую везут политики для фотосессии, и нескольких, купленных оптимистами в области технологий. И есть много причин, по которым мы не увидим массового внедрения автомобилей с водородным двигателем в ближайшее время.

К ним относятся сложность конструкции, термодинамические барьеры, неэффективность логистики, огромные затраты и проблемы безопасности. Из всего, что оценивается как вероятное использование зеленого водорода, легковые автомобили и небольшие транспортные средства занимают последнее место. Их можно было бы использовать в больших транспортных средствах, таких как самосвалы, но даже это еще предстоит выяснить.

Big Auto и Big Oil and Gas любят водородные технологии для автомобилей, потому что они очень похожи на их нынешние бизнес-модели — сложные двигатели, требующие интенсивного обслуживания, и централизованная система распределения.

Многие сторонники упоминают плотность энергии водорода, чтобы оправдать технологию. Обычно они не упоминают, что говорят о сжиженном водороде, а процесс сжижения водорода сложен и энергозатратен.

Автомобили с водородным двигателем, «

Машина Руба Голдберга» транспорта

Основатель и главный научный сотрудник Rewiring America, а также идейный вдохновитель кампании «электрифицировать все», Сол Гриффит описывает автомобили с водородным двигателем как машины Руба Голдберга.

Машина Руба Голдберга, названная в честь американского карикатуриста, представляет собой хитроумное приспособление, предназначенное для выполнения простой задачи с использованием серии абсурдных и ненужных шагов, которые до смешного усложняют достижение желаемой цели.

Оригинальный комикс представляет собой самодействующую салфетку, которая срабатывает, когда посетитель поднимает ложку.

Самодействующая салфетка Руба Голдберга (1931). Источник: Wikimedia Commons

Сравнивая автомобиль на водородных топливных элементах с электромобилем, мы можем понять, о чем говорит Гриффит. Мало того, что водородному автомобилю нужны электродвигатели и батарея, как в электромобиле, ему также нужны водородные баки для хранения водорода и топливные элементы для преобразования водорода в электричество.

Водородный топливный элемент против электромобиля на аккумуляторе

Сравнивая две конструкции автомобилей, мы видим, что автомобиль с водородным двигателем намного сложнее.

Однако только когда мы уменьшим масштаб и посмотрим на всю цепочку энергоснабжения, мы начнем понимать, насколько маловероятным на самом деле является автомобиль с водородным двигателем.

Цепочка поставок водорода очень похожа на нашу нынешнюю систему, работающую на ископаемом топливе.

В течение последних 100 лет подавляющая часть мировой транспортной системы работала на бензине и дизельном топливе.

Топливо, необходимое для питания бензиновых и дизельных автомобилей и грузовиков, начинает долгий и сложный путь добычи нефти на огромных и сложных буровых установках стоимостью в сотни миллионов долларов. Затем нефть либо перекачивается по дорогостоящим трубопроводам, либо транспортируется с использованием дорогих нефтяных танкеров на сложные и дорогостоящие нефтеперерабатывающие заводы.

На сложных и дорогих нефтеперерабатывающих заводах нефть превращается в бензин или дизельное топливо, а затем хранится в массивных дорогих резервуарах, а затем доставляется грузовиками на дорогую заправочную станцию, где она снова хранится, прежде чем вы идете и перекачиваете ее из подземного резервуара в свою машину. .

Электрический аккумулятор против автомобиля с водородным двигателем.

В нашем мире, где доминирует ископаемое топливо, вся эта система необходима для того, чтобы доставить вас из пункта А в пункт Б. Сотни тысяч инженеров, котельных, дизельных механиков, водителей грузовиков и обслуживающего персонала заправочных станций должны доставить эту энергию в ваш автомобиль.

Тот же целостный анализ необходимо применить к другим транспортным технологиям, таким как водородные и аккумуляторные электромобили. Источником энергии как для электрических, так и для водородных транспортных средств является (должно быть) солнечное и ветровое электричество, поскольку мир отказывается от ископаемого топлива.

Электромобили с аккумуляторными батареями могут вырабатывать электричество от солнечных батарей (на крыше или в масштабе сети) или энергии ветра от ветряных турбин. Затем это электричество сохраняется в бортовом аккумуляторе автомобиля, прежде чем оно используется для питания электродвигателей, приводящих в движение автомобиль.

В автомобилях с водородным двигателем система намного сложнее и больше напоминает нашу нынешнюю бензиновую и дизельную систему «Руба Голдберга на стероидах».

Питер Ньюман из Университета Кертина и Джейк Уайтхед из Университета Квинсленда делают одинаковые выводы в своей недавно опубликованной исследовательской статье, опубликованной в журнале Sustainable Earth Reviews.

«Энергия теряется на каждом этапе энергетической цепочки, как это диктуется законами термодинамики, что, в свою очередь, приводит к более высоким требованиям к подводимой энергии и, в конечном итоге, к более высоким затратам на энергию», — говорят они.

И они иллюстрируют это с помощью приведенного выше графика, сравнивающего энергетическую цепь, необходимую для питания автомобиля на водородных топливных элементах (HFCV), по сравнению с аккумуляторным электромобилем (BEV).

В своей книге «Большой переключатель» Сол Гриффит перечисляет этапы, необходимые для питания автомобиля с водородным двигателем. Обратите внимание, что еще до первого шага электричество должно генерироваться возобновляемыми источниками энергии, такими как солнце и ветер, чтобы водород был классифицирован как «зеленый».

1. Отделить водород от воды или какой-либо другой молекулы (используя электричество из возобновляемых источников энергии).
2. Сжимайте водород или криогенно охлаждайте его, чтобы сделать возможной транспортировку.
3. Храните водород в каком-нибудь шалфейном сосуде высокого давления.
4. Доставьте водород туда, где он нужен.
5. Декомпрессируйте водород, чтобы использовать его.
6. Либо сжигайте водород, смешивая его с кислородом, как в традиционном двигателе (и, возможно, используйте его, чтобы включить генератор для производства электричества), либо…
7. Пропустите водород через «топливный элемент», чтобы превратить его непосредственно в электричество.

Для производства и работы всех элементов этой невероятно сложной системы требуются материалы, машины и энергия.

По сравнению с ним аккумуляторная электрическая система чрезвычайно проста и поэтому эффективна.

6/8

Почему водород — плохая идея. (Часть 2) #ElectrifyEverything pic.twitter.com/Cday5tE614

— Дэниел Бликли (@DanielBleakley) 13 февраля 2022 г.

Сложность преобразования возобновляемых источников энергии в физическое движение автомобиля в «Рубе Голдберге» компании Hydrogen приравнивается к огромным потерям энергии, а это означает, что автомобили на водороде не только сложны, но и крайне неэффективны.

Проблема неэффективности водорода

Следующей серьезной проблемой, стоящей перед автомобилем на водородном топливе, являются законы термодинамики.

У каждого двигателя или системы есть верхний теоретический предел эффективности. Транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания известны как двигатели с циклом Карно. Для транспортных средств двигатели по циклу Карно имеют верхний теоретический предел около 37%, однако в действительности большинство автомобильных двигателей достигают КПД только около 20%.

Это означает, что из каждого литра бензина, который вы покупаете на заправочной/заправочной станции, только 20% энергии в этом литре фактически расходуется на движение вашего автомобиля. Остальные 80% тратятся на производство тепла и звука.

Таким образом, после чрезвычайно сложного и дорогостоящего путешествия от нефтяной вышки к вашей машине 80% топлива, которое вы покупаете, просто сжигается впустую, лишь способствуя загрязнению воздуха и изменению климата.

Автомобили с водородным двигателем, которые могут быть либо внутреннего сгорания, либо топливных элементов, также имеют ужасные теоретические верхние пределы эффективности. В «Большом переключателе» Сол Гриффит использует диаграммы Санки, чтобы сравнить эти пределы эффективности между электромобилями и автомобилями, работающими на водороде. На диаграммах показаны накопленные потери энергии на каждом этапе системы.

Диаграмма Санки на водородном и аккумуляторном электрическом транспорте. Источник: «Большой переключатель» Сола Гриффита

Опять же, эти диаграммы показывают теоретические верхние пределы . В действительности для водорода КПД ближе всего к 20%. Показатели эффективности электромобилей, показанные на приведенной выше диаграмме, на самом деле консервативны: некоторые аккумуляторные электрические системы в настоящее время достигают эффективности более 95%

На практике все это означает, что для получения той же полезной энергии, которую можно использовать для движения автомобиля с водородным двигателем, вам потребуется в 3-5 раз больше потребляемой энергии по сравнению с аккумуляторным электромобилем.

Это означает, что стоимость энергии для автомобилей с водородным двигателем составляет как минимум , что в 3-5 раз выше, чем для электромобилей.

Но на самом деле все гораздо хуже.

Это означает, что вам нужно в 3-5 раз больше солнечных батарей и ветряных турбин для обеспечения автомобилей на водороде.

Это в 3-5 раз больше капитальных затрат на строительство этих дополнительных панелей и турбин, и это еще до того, как мы перейдем к следующим этапам процесса, включая электролизеры, резервуары для хранения, трубопроводные сети, грузовики, насосные станции и все остальное. заработная плата работников, необходимая для работы и поддержания цепочки поставок.

Для сравнения, электричество для электромобилей доставляется прямо в ваш гараж, как по волшебству. Возможно, путешествуя всего в нескольких метрах от вашей солнечной батареи на крыше!

Проблема с водородом — это не то, что инженеры могут просто «спроектировать» из системы. На горизонте не предвидится технологического прорыва, который позволит водородным автомобилям достичь КПД выше 35%. Нет, если только инженеры не найдут способ нарушить законы физики.

Итак, если водород так ужасно неэффективен, сложен и дорог, почему старые автопроизводители, политики и ресурсные магнаты всегда хвалят его?

Централизованная энергия против децентрализованной.

Водород, несбыточная мечта ресурсного магната

Битву между электромобилями и автомобилями на водороде можно было бы лучше описать как битву между централизованной и децентрализованной энергией.

Водород представляет собой продолжение высокоцентрализованной и монополизированной системы, работающей на ископаемом топливе, где горстка нефтяных компаний контролирует всю мировую цепочку поставок транспортной энергии.

Этот контроль над транспортной энергией позволяет мировой нефтяной промышленности обладать огромной властью над правительствами по всему миру, позволяя им получать субсидии на сотни миллиардов долларов и подавлять политику, которая приносит пользу их конкурентам, таким как электромобили.

В качестве альтернативы аккумуляторные электромобили представляют собой децентрализованную систему, поскольку энергия автомобиля может полностью получаться от солнечных батарей на вашей крыше (или на крыше вашего соседа).

Вот почему мировой нефтяной промышленности и правительствам, которые они кооптировали, так угрожает революция электромобилей. Как только люди переходят на электромобили, их энергия и мобильность больше не зависят от крупных транснациональных корпораций.

Предрасположенность будущей цепочки поставок водорода к монополизации также привлекла ресурсных магнатов, таких как Эндрю Форрест из Австралии. В своей лекции Бойера в 2021 году Форрест заявил, что зеленый водород — это решение проблемы изменения климата.

Лекция Эндрю Форреста Бойера, январь 2021 г. Источник: ABC

«Наши технологические соседи, Япония, Южная Корея и Китай, вместе обязались выпустить на дороги почти 8 миллионов автомобилей на водородном топливе в ближайшие несколько лет». — сказал он во время лекции в январе 2021 года.

Форрест продолжил: «Илон Маск недавно назвал автомобили на водородных топливных элементах, несмотря на 8 миллионов, которые скоро появятся на дорогах, невероятно глупыми. У него есть все основания их бояться. Его описание, возможно, лучше подходит для тех, кто считает аккумуляторную технологию экологичной, когда она работает на ископаемом топливе».

За два года, прошедшие после лекции Форреста, его компания объявила о больших планах в отношении зеленого водорода, но в основном это касается промышленного использования, а не автомобилей. Tesla продала более двух миллионов аккумуляторных электромобилей и планирует произвести еще почти два миллиона электромобилей в 2023 году. Было продано всего несколько тысяч автомобилей на водородных топливных элементах.

Сам Форрест в настоящее время также занимается аккумуляторной электроникой, и он только что объявил о планах создать многомиллиардный бизнес по производству аккумуляторов от недавно приобретенной команды инженеров Williams.

Его компания также получила первые большие 15-тонные аккумуляторы для своих огромных самосвалов и разработала так называемый бесконечный поезд с использованием аккумуляторов и регенеративных технологий для огромных поездов, доставляющих руду в порты.

Тем временем в пресс-релизе на прошлой неделе Honda заявила, что надеется продать всего 60 000 автомобилей на водородных топливных элементах к 2030 году. Многие аналитики считают, что доля рынка электромобилей превысит 90% всех новых автомобилей, продаваемых по всему миру. BMW также объявила о своих планах инвестировать больше в водородные топливные элементы, заявив, что «сильно верит» в эту технологию.

Решения, разрушающие экономику

Трудно представить, чтобы ведущие инженеры таких компаний, как Toyota и Honda, не понимали фундаментальных проблем, связанных с водородом. Говорят, что на них оказывали давление руководители высшего звена, чтобы они «просто заставляли это работать», и они предпочитали молчать, а не раскачивать лодку.

Какими бы ни были причины, решения, принятые компаниями, чтобы сосредоточиться на водороде за последнее десятилетие, будут иметь огромные последствия не только для самих компаний, но и для экономики всей страны.

Не больше, чем в Японии, где Toyota и Honda полностью не смогли наладить крупносерийное производство электромобилей. Это, по сути, передало доминирующее положение Японии на рынке Китаю (и Tesla), которые наращивают производство электромобилей, чтобы удовлетворить растущий мировой спрос.

Японский энергетический аналитический центр Институт возобновляемых источников энергии опубликовал в сентябре прошлого года отчет под названием «Пересмотр водородной стратегии Японии: выход за рамки фантазии о водородном обществе». В отчете национальная водородная стратегия Японии 2017 года, предусматривающая создание «водородного общества» с нейтральным выбросом углерода, критикуется как катастрофически ошибочная.

Стратегия

Японии агрессивно продвигает автомобили с водородным двигателем, в то время как японские потребители в подавляющем большинстве предпочитают электромобили.

По оценкам, на японских производителях автомобилей и в поддерживающих их отраслях занято более 5 миллионов человек. Около 8% рабочей силы Японии. Сейчас, когда мир быстро переходит на электромобили, которые составляют всего 0,2% производства Toyota, похоже, что решение Японии сосредоточиться на водороде, а не на электромобилях, вот-вот вернется, чтобы сильно их укусить.

И здесь на карту поставлена ​​не только экономика. Водородная «фантазия» в течение многих лет сеяла семена путаницы в общественном дискурсе о том, в каком направлении движется энергетический переход. Это, несомненно, замедлило мировые усилия по отказу от ископаемого топлива.

Водород, бесконечная история…

Если вам кажется, что о водороде для автомобилей говорят десятилетиями, то это потому, что так оно и есть.

Статья в The Guardian от 2011 года под названием «Почему правительства не настаивают на большем количестве водородных автомобилей?» начинается с предложения «Кажется, мы говорим о «водородной экономике» уже более десяти лет, но, как и многие другие спасительные технологии, кажется, что ее появление никогда не приближается».

Бесконечное повествование о том, что «мы разрабатываем автомобили на водороде», уходящее в будущее, подходит устаревшим автомобильным компаниям, которые не могут или не хотят разрабатывать электромобили.

Они говорят своим клиентам, что эта туманная технология будет готова через несколько лет.