Что такое Водородное топливо — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).  

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O). 

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 

Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.

Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 

Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. 
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН₄ + 2Н₂0 = CO₂ + 4Н₂ — 165 кДж

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → h3↑ + 2NaOH + Cl2

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

h3O + C ⇄ h3 + CO

• 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H

2O → Ca(OH)₂ + H₂↑

• 7.Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O → NaOH + H₂↑

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ Zn + 2KOH + 2H₂O → K₂[Zn(OH)₄] + h3↑

• 9 . С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O⁺ + 2e^— → H₂↑ + 2H₂O

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2

х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.

Молекула водорода двухатомна — Н_₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н₂=2Н — 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F₂+H₂=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂0

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ → CH₄

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ → Cu + H₂O Fe₂O₃ + 3H₂ → 2 Fe + 3H₂O WO₃

+ 3H₂ → W + 3H₂O

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:

•  для атомно-водородной сварки,
•  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
•  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
•  в качестве ракетного топлива,

Водородная энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:

• более чистый производственный процесс, 
• нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии.  

Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Автомобиль на водороде. Пора ли прощаться с бензином? / Хабр

Привет, Хабр! К нашей прошлой статье о водородной энергетике вы написали очень интересные и справедливые комментарии, ответы на которые вы сможете найти в этом материале, посвященном использованию водорода в автомобилях.

Действительно, в сравнении с бензином водород — одна сплошная проблема: его очень трудно хранить и непросто получать, он взрывоопасен, а водородные автомобили в разы дороже бензиновых. Но при этом водород считается наиболее перспективным видом альтернативного топлива для транспорта. К тому же, на производство водородных автомобилей инвесторы готовы тратить многомиллиардные инвестиции.

Приговор бензину уже подписан

Согласно последнему отчету BP Statistical Review of World Energy 2018, мировые разведанные запасы нефти составляют 1,696 млрд баррелей, чего при сохранении текущего уровня потребления хватит лет на пятьдесят. Неразведанные запасы нефти, предположительно, дадут нам еще полвека углеводородной энергетики, но и стоимость ее добычи может оказаться такой, что нефть попросту станет невыгодна в сравнении с другими источниками энергии. Когда месторождения с удобной добычей истощатся, цена на сырье автоматически пойдет вверх: если сейчас стоимость добычи барреля в России некоторыми оценивается в 2-3 доллара (по альтернативным оценкам, в 18 долларов), то для сланцевой нефти это уже 30-50 долларов. А впереди у человечества реальная перспектива перейти на добычу шельфовой и арктической нефти, цена которой будет еще выше.

Всплеск интереса к электротранспорту в 70-х годах XX века возник как раз на фоне скачкообразного роста цен на нефть из-за политического кризиса — недостатка в сырье не было, но четырехкратный рост цен мгновенно сделал бензиновые автомобили и нефтяную энергетику роскошью.

А еще на пути бензиновых авто встали более спорные препятствия — забота об экологии в городах и странах, где автомобильный выхлоп стал проблемой. Из-за этого, например, Германия приняла резолюцию о запрете производства автомобилей с ДВС с 2030 года. Франция и Великобритания обещают отказаться от углеводородного топлива до 2040 года. Нидерланды — до 2030 года. Норвегия — до 2025 года. Даже Индия и Китай рассчитывают запретить продажи дизельных и бензиновых авто с 2030 года. Париж, Мадрид, Афины и Мексика запретят к использованию дизельные машины с 2025 года.

Сжигание водорода в ДВС

Сжигание водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания кажется самым простым и логичным способом применения газа, ведь водород легко воспламеняется и сгорает без остатка. Однако из-за разницы в свойствах бензина и водорода перевести ДВС на новый вид топлива оказалось не так-то просто. Сложности возникли с долгосрочной эксплуатацией движков: водород вызывал перегрев клапанов, поршневой группы и масла, из-за втрое большей, чем у бензина, теплоты сгорания (141 МДж/кг против 44 МДж/кг). Водород неплохо показывал себя на низких оборотах движка, но при росте нагрузки возникала детонация. Возможным решением проблемы была замена водорода на бензиново-водородную смесь, концентрация газа в которой динамически уменьшалась по мере роста оборотов двигателя.

Двухтопливная BMW Hydrogen 7 в кузове E65 сжигает водород в ДВС вместо бензина
Источник: Sachi Gahan / Flickr

Одним из немногих серийных автомобилей, где водород сжигался в ДВС подобно другому топливу, стал BMW Hydrogen 7, вышедший всего в 100 экземплярах в 2006–2008 годах. Модифицированный шестилитровый ДВС V12 работал на бензине или водороде, переключение между видами топлива происходило автоматически.

Несмотря на успешное решение проблемы перегрева клапанов, на этом проекте все равно поставили крест. Во-первых, при сжигании водорода мощность двигателя падала примерно на 20% — с 260 л. с. на бензине до 228 л. с. Во-вторых, 8 кг водорода хватало всего на 200 км пробега, что в разы меньше, чем в случае с дизельными элементами. В-третьих, Hydrogen 7 появился слишком рано — когда «зеленые» автомобили еще не были так актуальны. В-четвертых, ходили упорные слухи, что Агентство по охране окружающей среды США не разрешило называть Hydrogen 7 автомобилем без вредного выхлопа — из-за особенностей работы ДВС, частицы моторного масла попадали в камеру сгорания и там воспламенялись вместе с водородом.

Mazda RX-8 Hydrogen RE — тот случай, когда водород загубил всю динамику роторного двигателя. Источник: Mazda

Еще раньше, в 2003 году, была представлена двухтопливная Mazda RX-8 Hydrogen RE, добравшаяся до заказчиков только к 2007 году. При переходе на водород от мощности легендарного роторного RX-8 не оставалось и следа — мощность падала с 206 до 107 л. с., а максимальная скорость — до 170 км/ч.

BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE были лебединой песней водородных ДВС: к моменту появления этих автомобилей стало окончательно ясно, что куда эффективней использовать водород в давно известных топливных элементах, чем просто жечь.

Топливные элементы в автомобилях

Первым успешным экспериментом по созданию транспортного средства на водородном топливном элементе можно считать трактор Гарри Карла, построенный в 1959 году. Правда, замена дизеля на топливный элемент снизила мощность трактора до 20 л. с.

В последние полвека водородный транспорт выпускался в штучных экземплярах. Например, в 2001 году в США появился автобус Generation II, водород для которого производился из метанола. Топливные элементы создавали мощность до 100 кВт, то есть около 136 л. с. В том же году российский ВАЗ представил «Ниву» на водородных элементах, известную под именем «Антэл-1». Электродвигатель выдавал мощность до 25 кВт (34 л. с.), разгонял авто максимум до 85 км/ч и на одной заправке работал 200 км. Единственный произведенный автомобиль остался «лабораторией на колесах».

Российский автомобиль на водородных топливных элементах — в то время технологии ушли дальше дизайна. Источник: «АвтоВАЗ»

В 2013 году Toyota встряхнула автомобильный мир, представив модель Mirai на водородных топливных элементах. Уникальность ситуации была в том, что Toyota Mirai был не концепт-каром, а готовым к серийному производству автомобилем, продажи которого начались уже год спустя. В отличие от электромобилей на аккумуляторах, Mirai сама вырабатывала электричество для себя.

Toyota Mirai. Источник: Toyota

Электродвигатель переднеприводной Mirai имеет максимальную мощность 154 л. с., что немного для современного электромобиля, но весьма неплохо в сравнении с водородными авто прошлого. Теоретический запас хода на 5 кг водорода составляет 500 км, фактический — около 350 км. Tesla Model S по паспорту может пройти 540 км. Вот только на заправку полного бака водорода уходит 3 минуты, а батарея Tesla заряжается до 100% за 75 минут на станциях Tesla Supercharger и до 30 часов от обычной розетки на 220 В.

Постоянный ток из 370 водородных топливных элементов Mirai преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Максимальная скорость машины достигает 175 км/ч — немного в сравнении с углеводородным топливом, но более чем достаточно для повседневной езды. Для запаса энергии используется никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 кВт∙ч, в который передаётся избыток от топливных элементов и энергия рекуперативного торможения. Учитывая японские реалии, при которых населённые пункты могут в любой момент пострадать от землетрясения, в багажнике Mirai 2016-го модельного года установлен разъем CHAdeMO, через который можно организовать электроснабжение небольшого частного дома, что делает автомобиль генератором на колёсах с предельной ёмкостью 150 кВт∙ч.

Кстати, всего за несколько лет Toyota удалось значительно уменьшить массу генератора: если в начале века в прототипах он весил 108 кг и выдавал 122 л. с., то в Mirai топливный элемент вдвое компактней (объем 37 литров) и весит 56 кг. Справедливо будет прибавить к этому 87 кг топливных баков.

Для сравнения, популярный современный турбомотор Volkswagen 1.4 TSI схожей с Mirai мощностью 140–160 л.с. славится своей «лёгкостью» благодаря алюминиевой конструкции — он весит 106 кг плюс 38–45 кг бензина в баке. Кстати, батарея Tesla Model S весит 540 кг!

За 4 км пробега Mirai вырабатывает только 240 мл дистиллированной, относительно безопасной для питья воды — энтузиасты, пробовавшие «выхлоп» Mirai, сообщали только о лёгком привкусе пластика.

Пить воду, слитую из Mirai, безопасно, хотя сперва зрелище шокирует

В Toyota Mirai установлено сразу два бака для водорода на 60 и 62 литра, в сумме вмещающих 5 кг водорода под давлением 700 атмосфер. Toyota разрабатывает и производит водородные баки самостоятельно вот уже 18 лет. Бак Mirai сделан из нескольких слоёв пластика с углеволокном и стеклотканью. Использование таких материалов, во-первых, повысило стойкость хранилищ к деформации и пробитию, а, во-вторых, решило проблему наводораживания металла, из-за которого стальные баки теряли свои свойства, гибкость и покрывались микротрещинами.

Строение Toyota Mirai. Спереди расположен электродвигатель, топливный элемент спрятан под водительским сидением, а под задним рядом и в багажнике установлены баки и аккумулятор. Источник: Toyota

Каковы перспективы?

По оценкам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут потреблять 1900 тераватт-час вместо 13 млн баррелей в сутки, то есть 8% от спроса на электричество по состоянию на 2015 год. 8% — пустяк, если учесть, что сейчас до 70% добываемой в мире нефти уходит на производство топлива для транспорта.

Перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными ячейками. В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.

Примером тому является созданный в 2017 году «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупные компании, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее внедрение в нашу жизнь.

Могут ли водородные топливные элементы управлять автомобильным рынком?

ЮМАИР ИРФАН: Это пятница науки. Я Умайр Ирфан. Если вы недавно покупали новый автомобиль, вы, возможно, видели удивительное разнообразие электромобилей, доступных для продажи. Согласно данным Kelley Blue Book, электромобили впервые составили около 5% от общего объема продаж автомобилей. А в первом квартале 2022 года американцы купили в два раза больше электромобилей, чем в первом квартале 2021 года. Есть также варианты автомобилей на водородных топливных элементах. Во время недавнего визита в Калифорнию я поехал на электрическом мотоцикле в автосалон, чтобы протестировать Mirai, автомобиль с водородным двигателем от Toyota. Слово «мирай» по-японски означает будущее.

Но что нужно для того, чтобы водород стал частью нашей чистой энергии будущего, особенно когда речь идет о транспорте? Есть несколько серьезных технологических и инфраструктурных проблем, которые водород должен решить в первую очередь. Теперь ко мне присоединяется Джоан Огден. Она почетный профессор экологических наук и политики Калифорнийского университета в Дэвисе. Добро пожаловать в научную пятницу.

ДЖОАН ОГДЕН: Большое спасибо. Приятно быть здесь.

ЮМАИР ИРФАН: Как я уже говорил, я ездил на этой Toyota Mirai в Сан-Франциско. И это было довольно гладко. У него был очень тихий салон, очень быстрое ускорение, потому что у него был электродвигатель.

Но потом я пошел на ближайшую станцию ​​гидратации в Сан-Франциско, и обе помпы вышли из строя. Затем я отправился на другую станцию, которая находилась южнее, в районе залива. И похоже, что водородный насос не работал годами. Так что же сдерживает водородную инфраструктуру?

ДЖОАН ОГДЕН: Что ж, внедряя водородные транспортные средства, инфраструктура должна соответствовать этому, потому что, в отличие от электричества, где оно есть в домах людей или во многих местах, или в отличие от заправок, которые вездесущи, с водородом вам нужно выстроить эту систему. Калифорния внедряет сеть станций по мере того, как там выкатываются автомобили. Их, я думаю, около 8000 или 9.000 автомобилей на топливных элементах в Калифорнии сейчас, многие из них модели Toyota. Поэтому штат Калифорния приложил немало усилий для разработки этой новой системы.

Во-первых, вы хотите, чтобы станции были там, где есть люди. Итак, они разработали план и осуществляют его, по-моему, сейчас активна около 51 станции. Ожидается, что в ближайшие несколько лет будет построено еще около 120 таких машин. И если вы разместите их в нужном месте рядом с владельцами автомобилей, этой сети будет достаточно для поддержки путешествий, как если бы вы хотели путешествовать на водородном автомобиле. Таким образом, инфраструктура была шагом, ограничивающим скорость, хотя во многих отношениях, потому что эти две вещи должны происходить согласованно.

УМАИР ИРФАН: Ну, расскажите немного о самих АЗС, чем они отличаются от обычных АЗС? И что делает их уникальными?

ДЖОАН ОГДЕН: Итак, на водородных станциях водород подается в транспортные средства в виде сжатого газа. А бензин, конечно, жидкость. Жидкости упаковывают много энергии в небольшой объем и вес. С газом вам нужна более крупная система для содержания этого газа, как в машине, так и на станции.

Итак, оборудование немного другое. Наличие компрессоров. У вас другой тип шланга, который идет в машину. Тем не менее, опыт заправки в некотором роде очень похож на то, что заправка вашего водородного автомобиля не занимает много времени. И это очень похоже на бензиновый автомобиль.

Вы также можете иметь большой запас хода на водородном автомобиле. А водородные автомобили теперь имеют запас хода более 300 миль. Таким образом, с точки зрения поведения поездка на заправочную станцию, отъезд и длительная поездка должны быть больше похожи на бензин с водородом, чем на автомобиль с электрическим аккумулятором.

ЮМАИР ИРФАН: Конечно, мало иметь только заправочную станцию. Вы также должны доставить водород на станцию. Итак, как это работает?

ДЖОАН ОГДЕН: Во многом это похоже на электричество. Вы можете сделать это из множества источников, которые являются зелеными, то есть не производят парниковых газов или загрязняющих веществ при их производстве или использовании. И это будут такие вещи, как солнце и ветер. Так что на самом деле это долгосрочная цель — производить водород из возобновляемых источников энергии.

Однако в настоящее время водород производится в основном из ископаемого топлива, в основном из природного газа в этой стране. И большая часть водорода производится для промышленных целей. Он используется для изготовления химикатов. Используется в нефтепереработке. Он используется для производства химических веществ, таких как аммиак и метанол.

Если мы увеличим масштабы транспорта, эти виды использования станут такими же масштабными, как промышленные, или больше. И нам нужно будет перейти от ископаемого топлива к зеленому водороду. Есть промежуточный этап, когда вы можете использовать ископаемое топливо, такое как природный газ, и у вас есть Ch5. Вы снимаете h3, и углерод превращается в CO2. Вы можете улавливать этот CO2 и хранить его под землей. И есть ряд проектов по всему миру, которые этим занимаются.

Это называется голубой водород. Это промежуточный шаг. Вы улавливаете углерод, храните его под землей и используете водород из ископаемого топлива, такого как природный газ. Но цель — зеленый водород. И в Калифорнии на самом деле есть политика, которая требует, чтобы мы со временем переходили к увеличению доли зеленого водорода.

ЮМАИР ИРФАН: Десять лет назад оставался открытым вопрос, какая технология победит, когда речь идет о легковых автомобилях. И теперь кажется, что аккумуляторные электромобили взяли на себя лидерство. Как вы думаете, водород может догнать?

ДЖОАН ОГДЕН: Отличный вопрос. Это действительно интересный вопрос. Подумайте, аккумуляторные автомобили прошли долгий путь, как и водородные автомобили, с точки зрения технологии, с точки зрения достижимого диапазона и типов моделей, которые существуют сейчас. У аккумуляторов есть то преимущество, о котором мы говорили ранее в связи с инфраструктурой, — электричество более распространено, чем водород.

Но решение также остается за потребителями. Итак, один вопрос: найдутся ли потребители, которые захотят иметь дальнобойную быструю дозаправку и более крупный формат автомобиля, который, возможно, лучше работает с водородным топливным элементом, чем с аккумулятором? Может случиться так, что когда вы доберетесь до больших автомобилей, которые нравятся многим людям в Америке, топливный элемент и водород будут лучше соответствовать тому типу рабочего цикла, для которого они хотят использовать этот автомобиль. И это также имеет значение, когда мы переходим к более крупным транспортным средствам, таким как грузовики.

ЮМАИР ИРФАН: Нет, это был мой следующий вопрос. Где, в каких приложениях водород имеет явное преимущество?

ДЖОАН ОГДЕН: Что ж, полезно подумать о шаткой концепции плотности энергии. Плотность энергии означает, что вы можете упаковать много энергии в небольшой объем по весу. И это очень желательно в топливе на транспортном средстве. Вы не хотите нести больше веса и объема, чем вам нужно. Для этого отлично подходит жидкое топливо.

Батареи и водород занимают больше веса и занимают больше места, чтобы иметь такое же количество энергии на борту. Если у вас есть транспортное средство, которому требуется много встроенного накопителя энергии, скажем, грузовик для дальних перевозок, может случиться так, что загрузка аккумуляторов займет как место, что вытесняет груз, так и увеличивает вес. Таким образом, при транспортном средстве определенного размера и требуемом количестве накопителя энергии водород, который занимает промежуточное положение по плотности энергии между бензином и батареями, где-то посередине, будет предпочтительнее, если вам нужен дальнемагистральный транспорт с нулевым уровнем выбросов. грузовая машина. Это один из так называемых трудных для обезуглероживания секторов — дальнобойщики. И водород может сыграть свою роль там, где электричество было бы менее практичным.

ЮМАИР ИРФАН: Похоже, у водорода есть большой потенциал. Но что должно встать на свои места, чтобы все это произошло?

ДЖОАН ОГДЕН: Чтобы все это произошло, нам нужно масштабировать различные части, особенно систему производства и доставки водорода. И нам также необходимо вывести на передний план возобновляемую часть и низкоуглеродную часть этого. Этот переход займет время. И при увеличении масштабов использования водорода по мере увеличения системы доставки стоимость будет снижаться.

Топливные элементы, опять же, прогнозируется снижение стоимости. Они резко упали. Я работаю в этой области уже давно, и стоимость снизилась до такой степени, что для некоторых приложений они являются конкурентоспособными. Стоимость может снизиться еще больше.

Также есть некоторые компоненты, которые входят в топливные элементы, некоторые материалы, такие как платина и катализаторы, которые необходимы для некоторых типов топливных элементов, поиск новых способов сделать это, поиск новых мембранных материалов для протонообменной мембраны топливные элементы. Есть ряд частей топливного элемента, в которых можно было бы исследовать материалы и так далее, которые могли бы улучшить это. Но большая часть этого также связана с производством и расширением производства, даже с технологиями, которые у нас есть сейчас.

ЮМАИР ИРФАН: Итак, учитывая недавний всплеск инвестиций в водород, который мы наблюдаем, и весь этот интерес, как скоро, по вашему мнению, он сможет играть в мяч с аккумуляторными электромобилями?

ДЖОАН ОГДЕН: Ну, я думаю, что водород может занять несколько иных сегментов транспортного сектора, чем аккумуляторные электромобили. И может случиться так, что они служат разным целям транспортировки в низкоуглеродном будущем. Но я думаю, что при постоянной поддержке и развитии заправочных систем и станций, а также производства возобновляемых источников мы можем увидеть, что водород к 2030-м годам действительно станет важным игроком.

УМАИР ИРФАН: Мы должны завернуть его туда. Джоан Огден — почетный профессор экологических наук и политики Калифорнийского университета в Дэвисе. Еще раз спасибо, что нашли время поговорить со мной.

ДЖОАН ОГДЕН: С удовольствием.

Copyright © Инициатива Science Friday, 2022 г. Все права защищены. Стенограммы Science Friday изготавливаются 3Play Media в сжатые сроки. Точность исходного аудио- или видеофайла, вышедшего в эфир/опубликованного, может отличаться, а текст может быть обновлен или изменен в будущем. Для ознакомления с официальными записями программы Science Friday, пожалуйста, посетите оригинальную транслируемую/опубликованную запись. Условия использования и дополнительную информацию можно найти на страницах наших политик  http://www.sciencefriday.com/about/policies/

Автомобили на водороде не смогут обогнать электромобили, потому что им мешают законы науки

Водород уже давно рекламируется как будущее легковые автомобили. Электромобиль на водородных топливных элементах (FCEV), который просто работает на водороде под давлением с заправочной станции, не производит выбросов углерода в выхлопных газах. Он может быть заполнен так же быстро, как и бензиновый эквивалент, и обеспечивает такое же расстояние, что и бензин. У него есть мощная поддержка: например, Toyota выпустит Mirai второго поколения в конце 2020 года.0003

Канадская ассоциация водородных и топливных элементов недавно подготовила отчет, в котором превозносятся водородные автомобили. Среди прочего, говорится, что углеродный след на порядок лучше, чем у электромобилей: 2,7 г углекислого газа на километр по сравнению с 20,9 г.

Тем не менее, я думаю, что водородные топливные элементы — ошибочная концепция. Я действительно думаю, что водород сыграет важную роль в достижении нулевых выбросов углерода, заменив природный газ в промышленном и бытовом отоплении. Но я изо всех сил пытаюсь понять, как водород может конкурировать с электромобилями, и это мнение было подкреплено двумя недавними заявлениями 9.0003

В отчете BloombergNEF сделан вывод:

Большая часть рынка автомобилей, автобусов и легких грузовиков, похоже, собирается внедрить [батарейную электрическую технологию], которая является более дешевым решением, чем топливные элементы.

Volkswagen, тем временем, сделал заявление, сравнивая энергоэффективность технологий. «Вывод ясен», — заявили в компании. «В случае с легковым автомобилем все говорит в пользу аккумулятора и практически ничего не говорит в пользу водорода».

Проблема эффективности водорода

Причина, по которой водород неэффективен, заключается в том, что энергия должна передаваться от провода к газу и к проводу, чтобы привести автомобиль в действие. Это иногда называют переходом вектора энергии.

Возьмем 100 ватт электроэнергии, произведенной возобновляемым источником, таким как ветряная турбина. Для питания FCEV эта энергия должна быть преобразована в водород, возможно, путем пропускания его через воду (процесс электролиза). Это около 75% энергоэффективности, поэтому около четверти электроэнергии автоматически теряется.

Произведенный водород должен быть сжат, охлажден и транспортирован на водородную станцию, процесс с эффективностью около 90%. Оказавшись внутри автомобиля, водород необходимо преобразовать в электричество, эффективность которого составляет 60%. Наконец, электричество, используемое в двигателе для движения автомобиля, имеет КПД около 95%. В совокупности используется только 38% исходной электроэнергии — 38 Вт из 100.

В электромобилях энергия передается по проводам на всем пути от источника до автомобиля. Те же 100 ватт мощности от той же турбины теряют около 5% КПД при переходе по сети (в случае с водородом я предполагаю, что преобразование происходит на месте на ветряной электростанции).

Энергоэффективность электромобилей.

Вы теряете еще 10% энергии при зарядке и разрядке литий-ионной батареи, а также еще 5% при использовании электричества для движения автомобиля. Таким образом, вы снизили мощность до 80 Вт, как показано на рисунке напротив.

Другими словами, водородный топливный элемент требует вдвое больше энергии. Цитируя BMW: «Поэтому общая эффективность в энергетической цепи «от мощности к транспортному средству» составляет лишь половину уровня [электромобиля]».

Пункты обмена

На дорогах ездит около 5 миллионов электромобилей, и продажи сильно растут. Это в лучшем случае лишь около 0,5% от общемирового объема, хотя все еще в другой лиге по сравнению с водородом, который к концу 2019 года продал около 7500 автомобилей по всему миру. будет приоритетом во время пандемии коронавируса, но энтузиасты в долгосрочной перспективе указывают на несколько преимуществ перед электромобилями: водители могут заправляться намного быстрее и проехать гораздо больше на одном «баке». Как и я, многие люди по-прежнему неохотно покупают электромобиль по этим причинам.

Китай, где объем продаж электромобилей превышает один миллион в год, демонстрирует, как можно решить эти проблемы. Инфраструктура строится для того, чтобы владельцы могли быстро заехать на площадку и заменить аккумуляторы. NIO, шанхайский производитель автомобилей, заявляет, что на этих станциях время замены составляет три минуты.

Китай планирует построить их большое количество. BJEV, дочерняя компания производителя электромобилей BAIC, инвестирует 1,3 миллиарда евро (1,2 миллиарда фунтов стерлингов) в строительство 3000 станций зарядки аккумуляторов по всей стране в ближайшие пару лет.

Это не только ответ на «беспокойство потенциальных владельцев электромобилей», но и их высокая стоимость. Аккумуляторы составляют около 25% средней цены продажи электромобилей, что все же несколько выше, чем у бензиновых или дизельных эквивалентов.

Используя концепцию обмена, аккумулятор можно было бы арендовать, при этом часть стоимости обмена была бы платой за аренду. Это снизит стоимость покупки и повысит заинтересованность населения. Сменные батареи также можно заряжать, используя избыточную возобновляемую электроэнергию, что является огромным плюсом для окружающей среды.

Следует признать, что эта концепция потребует определенной степени стандартизации аккумуляторной технологии, что может не понравиться европейским производителям автомобилей. Тот факт, что аккумуляторная технология вскоре позволит проехать миллион миль, может сделать бизнес-модель более привлекательной.