Из чего делается водородное топливо

Из чего это сделано: водородные топливные ячейки

Найти новый источник энергии и перестать зависеть от нефти — такова задача, которую автомобильные инженеры решают уже не первый десяток лет. Современность предлагает много вариантов: более экологичный газ, продвинутый электромобиль или компромиссный гибрид. Но сегодня речь пойдет о другом решении — технологии водородных топливных ячеек.

Вода из выхлопной трубы?

Итак, есть еще один вариант того, что можно сжигать в ДВС вместо бензина или дизельного топлива, — это водород. Известно, что продуктом окисления водорода является вода. Сжигаем водород в кислороде, получаем энергию для работы поршней, а на выходе — водяной пар. Ну не прекрасно ли? И все же есть свои нюансы: водород при сгорании выделяет больше тепла, чем нефтепродукты, тем самым чересчур раскаляя двигатель. Кроме того, сгорая с воздухом, а не с чистым кислородом, он создает ряд вредных примесей. Все это не позволяет просто так сжигать водород в ДВС.

Однако есть и другое решение, предусматривающее использование водорода в качестве топлива. Еще 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а «побочным» продуктом реакции становится электричество. В двух словах принцип работы таков: объемная ячейка разделяется на две половины пластиной из особого материала, способного пропускать протоны и не пропускать электроны. В каждой из половин ячейки устанавливаются два электрода, связанные между собой в электрическую цепь. В одну половину ячейки подается водород, в другую — кислород. Катализатор, нанесенный на разделяющую мембрану, активирует реакцию водорода с кислородом; при этом атомы водорода расщепляются на протоны и электроны. Протоны проходят сквозь мембрану и, соединяясь с кислородом, дают воду. А электроны уходят в подсоединенную электрическую цепь, давая ток.

Такие водородно-кислородные топливные элементы уже применялись в космосе: они питали энергией советский многоразовый корабль «Буран».

Из космоса в автомобиль

Топливный элемент такого типа удалось приспособить и для автомобиля, причем один из первых вариантов предложили отечественные конструкторы. Компактный водородный генератор состоит из множества ячеек, принцип работы которых описан выше. Напряжение каждой ячейки низкое — от 0.6 до 1.0 В, но, если соединить ячейки последовательно, можно получить необходимое высокое напряжение.

Дальше всех в этом направлении продвинулись японские инженеры. Совместными усилиями специалистов Toyota и DENSO удалось создать эффективный водородно-воздушный генератор, который стал основой для серийной Toyota Mirai.

Система топливных ячеек вырабатывает энергию, комбинируя водород с кислородом из наружного воздуха. Японским инженерам удалось создать наиболее эффективную систему топливных элементов, достигшую высокой выходной мощности при относительной компактности и малом весе, благодаря использованию композитных баков и компактного силового оборудования.

Вклад DENSO

Блок управления мощностью (PCU) Toyota Mirai производства DENSO решает, когда и как использовать производимую водородным генератором электроэнергию: часть ее система перенаправляет для хранения в литий-ионную батарею. Эта же батарея дополнительно заряжается и при рекуперации энергии торможения. При необходимости выдачи пиковой мощности (во время старта и разгона) используется как энергия водородного генератора, так и запасы батареи.

Во время работы силовой установки Mirai из трубы действительно идет дистиллированная вода — вообще никаких выбросов! Специалистам DENSO также удалось решить вопрос с быстрой и безопасной заправкой автомобиля водородом благодаря внедрению беспроводной связи с заправочной станцией, по которой передается вся информация о состоянии топлива в баках (о температуре и давлении водорода).

Запас хода Toyota Mirai второго поколения составляет внушительные 800 км (по циклу NEDC); при этом время полной заправки длится от 3 до 5 минут, что несравнимо быстрее, чем у электромобиля. Второе поколение Mirai с усовершенствованными топливными ячейками дебютировало на Токийском автосалоне два месяца назад, а уже в 2020 году этот автомобиль поступит в серийное производство.

Когда-нибудь — возможно, и не в столь отдаленном, как нам кажется, будущем — в каталоге DENSO для рынка послепродажного обслуживания автомобилей появятся, например, компоненты управления водородной силовой установкой. А пока в нем представлены более традиционные запчасти, обладающие, тем не менее, оригинальным качеством, надежностью и отличными рабочими характеристиками. Подобрать подходящие запчасти можно в нашем электронном каталоге.

Почему водородные автомобили проигрывают электромобилям?

Водород (H2) – это химический элемент, самый легкий газ получаемый из углеводородов, биомассы, мусора. Водород используют в нефтепереработке для гидроочистки, гидрокрекинга, для производства аммиака, при гидрогенизации угля, нефти и как альтернативный источник топлива (электроэнергии) для автомобилей. В автомобили ставят топливные элементы вместо бензобака, и заправляют туда H2 под давлением. При нажатии на педаль газа, в воздухозаборник поступает кислород, который вступает в реакцию с водородным элементом, отчего вырабатывается электричество. Электричество раскручивает электромотор, автомобиль начинает движение.

H2 как альтернативное топливо

Чем интересен водород, как альтернативный источник топлива:

• нулевые выбросы в атмосферу;
• потенциал для внутреннего производства в странах, где нет нефтяных запасов;
• быстрая заправка автомобилей (3-5 минут);
• по расходу и цене, топливные элементы до 80 % эффективнее бензина;
• электродвигатель питающийся от водородного топливного элемента, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем двигатель внутреннего сгорания.

Преимущества водородных автомобилей над электромобилями:

• скорость зарядки;
• от полностью заправленного водородом топливного элемента на выходе электроэнергии больше, чем от полностью заряженной АКБ электромобиля. Т.е. машина на полностью заряженном водородном топливном элементе (FCEV-fuel cell electric vehicle) преодолеет большее расстояние, чем такой же электромобиль с полностью заряженной батареей.

Модели автомобилей на водороде

Автопарк автомобилей на водороде к концу 2019 года превысил 25 тыс. машин, причем свыше 12 тыс. было продано за 2019 год. В основном парк расширяется в Китае, Японии, Республике Корея, хотя лидером по количеству водородных автомобилей остаются США.
Модели на водороде собирают Toyota, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и продают в регионах с развитой сетью водородных заправок. Цена машин в районе 4-6 миллионов рублей — Toyota Mirai – 4 млн. руб., Honda FCX Clarity – 4 млн. руб.

Выпускают ограниченной серией:

• Audi A7 h-tron quattro – электро-водородный гибридный легковой автомобиль.
• Hyundai Tucson FCEV
• Ford E-450.
• Городские автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Ford Motor Company – Focus FCV;
• Honda – Honda FCX;
• Hyundai Nexo
• Nissan – X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
• Toyota – Toyota Highlander FCHV
• Volkswagen – space up!;
• General Motors;
• Daimler AG – Mercedes-Benz A-Class;
• Daimler AG – Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
• Toyota – FCHV-BUS;
• Thor Industries – (топливные элементы компании UTC Power);
• Irisbus – (топливные элементы компании UTC Power).

Ограниченными сериями выпускаются BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen – двухтопливные модели использующие либо жидкий водород, хранящийся в баке при температуре не выше −253 °C, либо бензин. Принцип тот же, что и в автомобилях на газу. В отличие от FCEV двухтопливные модели выпускают вредные выхлопные газы, двигатели не такие мощные и быстрее изнашиваются.
На водородных топливных элементах (FCEV) конструируют спецтехнику: автобусы, погрузочно-разгрузочное оборудование (например, вилочные погрузчики), наземно-вспомогательное оборудование, средние и большие грузовики. Активно в этой сфере работает американская компания Plug Power Inc (PLUG). PLUG выпускает комплектующие для спецтехники на водороде. Недавно PLUG провела симпозиум, на котором заявила:

• о покупке поставщика технологий, оборудования и услуг для сжиженного водорода Applied Cryo Technologies;
• о строительстве в Австрии завода по производству литий-ионных аккумуляторов;
• презентовала прототип фургона HyVia Renault Master Van на водородных топливных элементах.

Honda огласила цель по поэтапному отказу от бензиновых двигателей в Северной Америке к 2040 году.
Daimler Trucks и Volvo стали партнерами в Европе, чтобы попытаться снизить себестоимость FCEV и сделать водород выгодным для дальних перевозок.

Водород и проблемы с экологией

Водород обилен в природе. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения.
При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные выбросы. При этом, сам автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ВОДОРОДА

• паровая конверсия метана и природного газа;
• электролиз воды;
• газификация угля;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии;
• паровой риформинг метана.

Паровой риформинг метана

Способ отделения водорода путем парового метанового риформинга применим к ископаемому топливу, например, к природному газу – его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не возобновляемый источник энергии, но пока он есть и добывается из недр земли. Министерство энергетики США утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем в бензиновых автомобилях. Производство реформированного водорода уже запущено на полную катушку и добывать водород таким способом дешевле, чем водород из других источников.

Газификация биомассы

Водород также добывают из биомассы – сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства и сточных вод. Используя процесс называемый газификация, биомассу помещают под воздействие температуры, пара, кислорода, чтобы образовать газ, который после обработки дает чистый водород. «Существуют целые полигоны для сбора сельскохозяйственных отходов – готовые источники водорода, потенциал которых недооценен и тратится впустую», сетует директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Электролиз

Электролиз – процесс отделение водорода из воды электрическим током. Этот способ звучит проще, чем возня с ископаемым топливом и отходами животноводства, но у него есть недостатки. Электролиз конкурентоспособен в тех районах, где электричество дешевое (в России этом могла бы быть Иркутская область – 8 электростанций на область, 1 рубль 6 копеек за киловатт-час).
Солнечные водородные станции Honda используют энергию солнца и электролиз, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция создает 5 700 литров водорода в год (этого топлива достаточно для одного автомобиля со средним годовым пробегом). При подключении к электрической сети, станция выдает до 26 тысяч литров в год.

Планы компаний по развитию производства H2

В Токио, недалеко от Токийского залива, построили завод для получения водорода из сточных вод и мусора.
PowerTap планирует построить на водородных АЗС помещения с оборудованием для получения водорода из природного газа и городской воды. Оставшийся углерод будут улавливать, и хранить там же.
Ways2H Inc. огласила планы построить небольшие заводы по переработке водорода возле мусорных свалок. Формула успеха компании Ways2H Inc.: мусор + термохимический процесс = водород. Завод стандартного размера обрабатывает 24 тонны отходов в день, получая от 1 до 1,5 тонны водорода.

Сколько стоит производство водорода

По оценке Международного агентства по возобновляемым источникам энергии IRENA в 2019 году, стоимость 1 кг водорода получаемого за счет ветровой энергии составляла в среднем около 4 $, солнечной – почти 7 $, тогда как «загрязняющее» получение H2 из угля или газа обходится в 1,5–2,5 $. Даже с учетом технологии CCS (carbon capture&storage – технология улавливания, транспортировки и хранения углерода), получение H2 из угля не экологичней ветровой и солнечной энергии. С развитием «солнечных» технологий разница в цене между «чистым» и «грязным» способом добычи водорода исчезнет далеко после 2030 года.

На сколько экономней водородный автомобиль?

В Европе заправка полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 ₽ (717 ₽ за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 ₽ на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина в Европе равна 101 ₽, т.е. 10 л. бензина обойдется в 1010 ₽ или 6 060 ₽ за 600 километров [цены на 2018 год.] Из примера видим, что заправка водородного автомобиля в два раза дешевле, чем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
В России активисты из г. Черноголовки Московской области, ради эксперимента сконструировали собственную водородную станцию, купили Toyota Mirai и посчитали, во сколько обойдется эксплуатация автомобиля. По расчетам владельца машины 100 километров на водороде ему обходится в 250 рублей.

Как заправляют топливные элементы водородом

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии сколько в 1 галлоне бензина (4,5 литра = 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах) – 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi) (340 или 680 атмосфер), в виде сжатого газа. Водородные диспенсеры на заправках заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл-гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Как работает топливный элемент заполненный водородом

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, контактирующие с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что увеличивает напряжение.
Ниже смотрите схему работы топливного элемента.

Где заправлять автомобили водородом?

Карта заправочных станций здесь.
Революция FCEV не начнется без достаточного количества водородных АЗС, поэтому отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций по-прежнему тормозит развитие водорода как альтернативного вида топлива Развитие сетей водородных АЗС идет туго.
В Америке самый большой автопарк FCEV моделей, с концентрацией в штате Калифорния. Заправок там достаточно, но начались проблемы с поставкой водорода. Водители повально отказываются от водородных автомобилей, столкнувшись с пустыми заправками. Подробнее здесь.

Расходы на содержание водородных станций

В 2004 году в Европе и США работало 168 000 бензиновых АЗС. Заменить обширную сеть бензозаправочных станций водородными в США обойдется в полтора триллиона $. При этом, к примеру, цена водородной топливной сети в Европе может быть в 5 раз ниже, чем цена заправочной сети для электромобилей (EV). Цена одной EV – станции от 200 000 до 1 500 000 рублей. Цена водородной станции – 3 миллиона долларов. При этом, водородная сеть будет все равно дешевле сети станций для электромобилей по окупаемости. Причина в быстрой заправке водородных автомобилей (от 3 до 5 минут). На миллион автомобилей на топливных водородных элементах требуется меньше водородных станций, чем зарядных станций на миллион электромобилей.

Снижение стоимости водородных технологий за счет прогресса

Еще одно препятствие для производителей автомобилей на водородном топливе – цена водородных технологий. Например, набор топливных элементов для автомобилей до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Покупали когда-нибудь колечко из платины для любимой? Цена Вам известна.
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена дорогой платины на более распространенные – железо или кобальт, в качестве катализатора возможна. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Замена платины, заметно снизит себестоимость топливных элементов. Параллельно ученые пытаются снизить себестоимость производства аккумуляторов для электромобилей, подробней здесь.
На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. Mercedes разрабатывает технологию сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль), чтобы эффективней заправлять топливный элемент большим количеством H2. В связке с передовым литий-ионным аккумулятором как дополнительным хранилищем энергии, это увеличит количество энергии на борту автомобиля. «Если все получится, у автомобилей на водороде диапазон движения превысит 1000 км.» считает доктор Герберт Колер, вице-президент Daimler AG.

Министерство энергетики США утверждает, что себестоимость сборки автомобилей с топливным элементом снижены на 30 % за последние три года и на 80 % за последнее десятилетие. Срок службы топливных элементов увеличился вдвое, но этого недостаточно. Для конкурентоспособности с электромобилями срок службы топливных элементов нужно увеличить еще в два раза. Нынешние водородные топливные элементы, «живут» около 2 500 часов (или примерно 120 000 км), но этого мало. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нужно продлить их жизнь до 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Развитие технологий водородных топливных элементов снизит себестоимость производство автомобилей за счет упрощения механизмов и систем, но выгоду производители получат только при серийном выпуске. Препятствием на пути к массовому выпуску автомобилей на водороде, стоит отсутствие оптовых поставок запчастей для автомобилей с водородным топливным элементом. Даже автомобиль FCX Clarity, который уже выпускается серией, не обеспечен дополнительными запчастями по оптовым ценам. Автопроизводители решают проблему по-своему, устанавливают топливные элементы водорода в дорогие модели для обкатки. Дорогие автомобили выпускаются в меньшем количестве, чем бюджетные, поэтому и проблем с поставкой запчастей к ним нет. «Мы внедряем «водородную технологию» в люксовые автомобили и следим, как она себя показывают «в народе». Пока рынок принимает водородные автомобили, как лет 10 назад принимал технологию гибридов, автопроизводители в это время наращивают объемы водородных моделей, спускаясь по цепочке к бюджетным авто», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

В 2005 году канадский производитель протон-обменных топливных элементов, обещал, что к 2010 году будет продавать автокомпаниям от 200 000 до 500 000 топливных элементов в год. Цель так и не была достигнута, топливные элементы в таком количестве заводам были не нужны.

В 2009 году несколько производителей автомобилей подписали совместное письмо о намерениях к 2014 году продавать сотни тысяч автомобилей с водородным двигателем. Этого тоже не произошло.

Получит ли «водородная программа» поддержку государства

Производители автомобилей и строители заправочных сетей сходятся во мнении, что снизить затраты в краткосрочной перспективе без вмешательства со стороны государства не выйдет. Что в США, однако, представляется маловероятным, при всех описанных денежных вливаниях местной администрации Штатов и Министерств.

С министром энергетики Стивеном Чу, администрация Обамы не раз пыталась сократить финансирование программы развития водородных топливных элементов, но сокращения отменял конгресс.

Популярность электрических автомобилей сторонникам водорода кажется абсурдной. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель Honda. Аккумулятор, разработанный для Honda FCX, например, устанавливают и на электромобиль Fit. «Считаем, что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями переплюнут все альтернативные источники энергии, возглавив список самых экономичных машин этого десятилетия».

Недовольны и те, кто платит из своего кармана за строительство новых заправочных станций. Говорят, что не отказались бы от помощи государства до тех пор, пока не увеличится спрос на водородное топливо и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro. SunHydro строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Том считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей вкладывать деньги в строительство водородных станций, работающих от солнечной энергии. «Необходим стимул, чтобы люди вкладывались в такие предприятия», говорит Том. «Инвесторы в трезвом уме, вероятно, не станут вкладывать деньги в строительство водородных заправочных станций».

В России Правительство в 2020 году утвердило план по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года. В нем говорится:

Водород — топливо будущего

Популярность электромобилей в последнее время несколько задвинула на второй план авто на топливных элементах. Тем не менее водород готовится дать бой электричеству, и сегодня мы посмотрим на перспективы этого элемента в энергетическом будущем планеты. Водород — это самый простой и распространенный химический элемент во вселенной, на долю которого приходится 74% всей известной нам материи. Именно водород используется звездами, в том числе и Солнцем, для высвобождения огромного количества энергии в результате термоядерных реакций.

Несмотря на свою простоту и распространенность, на Земле водород в свободной форме не встречается. За счет своего легкого веса он либо поднимается в верхние слоя атмосферы, либо вступает в связь с другими химическими элементами, например с кислородом, образуя воду.

Интерес к водороду, как к альтернативному источнику энергии, в последние десятилетия вызван двумя факторами. Во-первых, загрязнением окружающей среды ископаемым топливом, являющимся основным источником энергии на данном этапе развития цивилизации. И, во-вторых, тем фактом что запасы ископаемого топлива ограничены и по оценкам экспертов будут истощены приблизительно через шестьдесят лет.

Водород, как впрочем и некоторые другие альтернативы, является решением вышеперечисленных проблем. Использование водорода приводит к нулевым загрязнениям, поскольку в результате выделения энергии побочными продуктами являются лишь тепло и вода, которые могут быть использованы повторно для других целей. Запасы водорода также очень сложно истощить, учитывая что он составляет 74% вещества во Вселенной, а на Земле входит в состав воды, которой покрыто две трети поверхности планеты.

Получение водорода

В отличие от ископаемых источников энергии (нефти, угля, природных газов), водород не является готовым к использованию источником энергии, а считается ее носителем. То есть взять водород в чистом виде как уголь и использовать для получения энергии невозможно, необходимо сначала потратить некоторую энергию для того чтобы получить чистый водород пригодный для использования в топливных элементах.

Поэтому водород нельзя сравнивать с ископаемыми источниками энергии и более коректна аналогия с батареями, которые предварительно необходимо зарядить. Правда батареи перестают работать после разряда, а водородные элементы могут производить энергию до тех пор пока будут снабжаться топливом (водородом).

Наиболее распространенным и недорогим методом получения водорода считается паровой риформинг, в котором используются углеводороды (вещества состоящие исключительно из углерода и водорода). Во время реакции воды и метана (CH4) при высоких температурах выделяется большое количество водорода. Недостатком метода является то, что побочным продуктом реакции является углекислый газ, поступающий в атмосферу точно так же как и при сжигании ископаемого топлива, что соответственно не снижает выбросы парниковых газов несмотря на использование альтернативного источника энергии..

Возможно и прямое применение некоторых природных газов непосредственно в водородных топливных элементах в качестве альтернативы. Это позволяет не затрачивать энергию на получение водорода из газа. Стоимость таких топливных элементов будет ниже, однако при работе на природном газе в атмосферу также будут попадать парниковые газы и другие токсические элементы, что не делает такие газы полноценной заменой водороду.

Получить водород можно и в процессе электролиза. При пропускании электрического тока через воду, происходит ее разделение на составляющие химические элементы в результате чего получают водород и кислород.

Помимо привычных способов сейчас тщательно исследуются альтернативные пути получения водорода. Например, при наличии солнечного освещения продуктом жизнедеятельности некоторых водорослей и бактерий также может быть водород. Некоторые из этих бактерий могут производить водород прямо из обычных бытовых отходов. Несмотря на относительно низкую эффективность этого метода, возможность перерабатывать отходы делает его достаточно перспективным, особенно с учетом того что эффективность процесса постоянно повышается в результате создания новых видов бактерий.

Совсем недавно на горизонте появился еще один перспективный способ получения водорода с применением аммиака (NH3). При разделении этого химического вещества на составляющие получается одна часть азота и три части водорода. Наилучшими катализаторами таких реакций являются дорогостоящие редкие металы. Новый способ вместо одного редкого катализатора использует два доступных и недорогих вещества, соду и амиды. При этом эффективность процесса сопоставима с наиболее результативными дорогими катализаторами.

Помимо низкой стоимости данный метод примечателен и тем что аммиак проще хранить и транспортировать по сравнению с водородом. А в необходимый момент водород можно получить из аммиака просто запустив химическую реакцию. По неподтвержденным пока прогнозам использование аммиака позволит создать реактор объемом не более 2-литровой бутылки, достаточный для производства водорода из аммиака в количествах достаточных для использования автомобилем обычных размеров.

Аммиак на данный момент транспортируется в огромных количествах и широко применяется в качестве удобрения. Именно это химическое вещество делает возможным выращивание практически половины еды на Земле, и возможно в будущем станет одним из важнейших источников энергии для человечества.

Сферы применения

Водородные топливные элементы могут применяться практически в любом виде транспорта, в стационарных источниках энергии для домов, а также в небольших портативных, иногда карманных устройствах, для генерирования электричества, используемого другими мобильными устройствами.

Еще в 70-х годах прошлого столетия водород начали применять в NASA для вывода ракет и космических шатлов на орбиту Земли. Водород используется и позже для получения электричества на шатлах, а также воды и тепла в качестве побочных продуктов реакции.

На текущий момент наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.

Сравнение водородных и электрических автомобилей

Водород на обывательском уровне по-прежнему принято считать опасным химическим элементом. Эта репутация закрепилась за ним после крушения дирижабля Гинденбург в 1937. Тем не менее Администрация по энергетической информации США (EIA) утверждает что в аспектах использования водорода касающихся нежелательных взрывов, этот элемент как минимум так же безопасен как и бензин.

На текущий момент очевидно, что если не произойдет очередной технологической революции, то машины ближайшего будущего будут преимущественно либо электрическими, либо водородными, либо гибридными формами этих двух технологий и бензиновых авто.

У каждого из вариантов развития автоиндустрии есть свои преимущества и недостатки. Заправочные станции под водородное топливо гораздо проще сделать на базе текущих бензиновых заправок, чего не можно сказать об инфраструктуре для электического «заряда» транспортных средств.

В определенном смысле разделение на водородные и электрические автомобили является искусственным, поскольку в обоих случаях машина использует электричество для движения. Только в электрокарах оно запасено в более привычной для нас форме непосредственно в аккумуляторах, а в топливных элементах вещество, которое в результате реакции будет переводить химическую энергию в электрическую, можно добавить в любой момент.

Заправка водородом по времени сравнима с заправкой бензином, и занимает несколько минут, а вот полный заряд электрических аккумуляторов на текущий момент в лучшем случае производится за 20-40 минут. С другой стороны электромобили обладают тем преимуществом что их можно подключать к розетке непосредственно дома, и если делать это ночью то можно экономить на электро-тарифах.

Экологичность

Поскольку ни электричество, ни водород не являются природными источниками энергии, в отличие от ископаемого топлива, то на их получение необходимо затратить энергию. Источник этой энергии и становится решающим фактором в экологичности как водородных, так и электрических автомобилях.

Для получения водорода требуется либо тепло, либо электрический ток, которые в жарких и солнечных регионах планеты могут быть получены сбором солнечной энергии. В холодных странах, например Скандинавии, уже сейчас упор делается на более подходящем для этого климата источнике зеленой энергии, на ветряных станциях, которые с таким же успехом могут принимать участие в производстве водорода с помощью электролиза. Примечательно что водород в таком случае может использоваться и для хранения неиспользуемой энергии, например при выработке ночью.

Учитывая обязательную стадию получения водорода и электричества, нулевой уровень выбросов таких автомобилей зависит от того каким способом была получена первичная энергия. Именно поэтому между обоими типами транспортных средств соблюдается паритет и ни один нельзя причислить к более экологическому средству передвижения.

Шум

Ничью можно констатировать и сравнив шумность этих видов транспорта. В отличие от традиционных, новые двигатели работают гораздо тише.

По этому поводу можно вспомнить известный закон красного флага регулирующий появление первых автомобилей в 19 веке. Согласно самым жестким формам этого закона транспортное средство без лошадей не могло перемещаться в черте города со скоростью превышающей 3.2 км/ч. При этом предвосхищяя движение автомобиля за несколько минут до его появления по дороге должен был идти человек с красным флагом, предупреждающий о появлении транспорта.

Закон красного флага был принят в связи с тем что новые транспортные средства перемещались относительно бесшумно по сравнению с каретами и могли стать причиной аварий и травм, по крайней мере по мнению судей того времени. Проблема, хоть и была преувеличена, но все же спустя полтора века мы можем стать свидетелями новых подобных законов в связи с бесшумностью новых типов двигателей. Электрокары и авто на топливных элементах вряд ли работают громче первых транспортных средств, а вот скорость их перемещения в городской черте сейчас явно выше 3 км, что делает их потенциально опасными для пешеходов. В той же Формула 1 сейчас задумываются об усилении звука моторов с помощью искусственной озвучки. Но если в автогонках это делается для повышения зрелищности, то в новых автомобилях появление искусственного источника шума может стать требованием безопасности.

Отрицательные температуры

Автомобили на топливных элементах, как и обычные бензиновые авто, испытывают определенные проблемы на морозе. Внутри самых батарей может содержаться небольшое количество воды, замерзающее при отрицательных температурах и приводящее батареи в неработоспособное состояние. После прогрева батареи будут работать нормально, однако вначале без внешнего обогрева, они либо не заводятся, либо работают некоторое время на пониженной мощности.

Дальность перемещения

Дистанция перемещения современных водородных авто составляет приблизительно 500 км, что заметно больше чем в типичных электрокарах, которые нередко могут перемещаться лишь на 150-200 км. Ситуация изменилась после появления Tesla Model S, однако даже этот электрокар способен перемещаться без дозарядки на расстояние не более 430 км.

КПД

Такие цифры достаточно неожиданны если учесть КПД соответствующих типов двигателей. Для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет приблизительно 15%. КПД авто на топливных элементах — 50%. КПД электромобилей — 80%. На данный момент концерн General Electrics работает над топливными элементами с 65% эффективностью и утверждает что их КПД может быть повышен до 95%, что позволят запасать до 10 МВт электрической энергии (после преобразования) в одном элементе.

Вес батарей и топлива

Однако слабым местом электрокаров являются сами батареи. Например в Tesla Model S она весит 550 кг, а полный вес авто составляет 2100 кг, что на пару сотен килограм больше веса аналогичного водородного транспортного средства. Вес этой батареи к тому же не уменьшается по мере преодоления дистанции, в то время как выработанное топливо в бензиновых и водородных автомобилях постепенно делает машину легче.

Выигрывают водородные элементы и в плане хранения энергии в пересчете на единицу массы. В плане плотности энергии на единицу объема водород не так хорош. При обычных условиях этот газ содержит лишь треть энергии метана в одинаковом объеме. Естественно водород хранится при транспортировке и внутри топливных батарей в жидком или сжатом виде. Но даже в этом случае количество энергии (Мегаджоулей) в одном литре проигрывает показателям бензина.

Сильные стороны водорода проявляются при пересчете энергии на единицу веса. В этом случае он уже в три раза превосходит бензин (143 МДж/кг против 47 МДж/кг). Выигрывает водород по этому показателю и у электрических батарей. При одинаковом весе водород имеет вдвое больший запас энергии чем электрическая батарея.

Хранение и транспортировка

Определенные сложности возникают и при хранении водорода. Наиболее эффективная форма для транспортировки и хранения этого химического элемента — жидкое состояние. Однако добиться перехода газа в жидкую форму можно лишь при температуре в -253 градуса Цельсия, что требует специальных контейнеров, оборудования и немалых финансовых затрат.

2015 год

Toyota, Hyundai, Honda и другие производители авто в течение многих лет вкладывали большие средства в исследование водородных топливных элементов и в 2015 году собираются представить первые автомобили стоимость и характеристики которых позволят рассматривать их как альтернативу другим видам транспорта. Машина на топливных элементах в 2015 году должна быть среднеразмерным 4-дверным седаном с возможностью преодоления как минимум 500 км без дозаправок, которые будут длиться не более пяти минут. Стоимость такого авто должна находиться в диапазоне от $50 тыс до $100 тыс. Таким образом стоимость водородных авто снизилась на порядок в течение одного десятилетия.

Как должно быть очевидно из списка автопроизводителей, Япония станет одним из центров развития водородных автомобилей. Интересно что одним из главных рынков для этих авто станет территория отделенная от Японии гораздо большими расстояними чем близлежащий азиатский рынок.

Калифорния уже давно имеет репутацию одного из самых прогрессивных мест на планете Земля. Именно здесь законодательство часто дает зеленый свет новейшим технологиям и изобретениям. Не стало исключением и продвижение автомобилей на альтернативном топливе.

Согласно принятому закону о транспортных средствах с нулевым выбросом (ZEV — zero-emission vehicle) к 2025 15% от всех проданных автомобилей не должны производить вредных выбросов в атмосферу. Совместно с десятью другими штатами, принявшими аналогичные законы, к 2025 году на дорогах США должно находиться около 3.3 млн ZEV.

Несмотря на то что подготовка к запуску новых автомобилей идет полным ходом, на первых этапах производителям придется столкнуться с серьезными инфраструктурными проблемами . Toyota выделила $200 млн на постройку водородных заправочных станций на территории Калифорнии, однако этих средств будет достаточно для создания лишь двадцати заправочных точек в следующем году. Даже без учета большой стоимости постройки, количество заправок будет увеличиваться достаточно скромными темпами. В 2016 году их число составит 40 штук, а в 2024 — 100 штук.

Такие размеренные сроки постройки можно легко объяснить тем что провести даже небольшую технологическую революцию за один год практически невозможно. 2015 год обозначен в календаре как год начала развития водородной автоиндустрии, однако настоящую конкуренцию машины на топливных элементах смогут составить своим конкурентам скорее всего лишь с появлением второго поколения более недорогих и надежных моделей, которые ожидаются к 2020 году, и появятся на дорогах с уже более-менее развитой сетью дозаправочных станций.

Несмотря на обилие японских имен среди производителей водородных авто, интересуются этим видом транспорта на других континентах. Среди известных производителей водородные планы есть у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.

Итоги

Как это часто бывает, мир не делится на белое и черное, и водород не станет единственным источником энергии в будущем. Этот элемент совместно с другими альтеранитвными источниками энергии станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды и исчезновения природных ископаемых ресурсов. Перспектива данного вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в 2015 году с появлением первых массовых авто на дорогах. Насколько они смогут конкурировать с электромобилями мы скорее всего узнаем в 2020 году по мере дальнейшего развития технологий и появления второго поколения топливных авто.

Водородное топливо

Водородное топливо — это топливо, где в качестве вещества, способного выделять энергию, используется водород.
Водородная энергетика стремительно развивается.
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).

• в промышленности,
• в ЖКС для отопления домохозяйств.

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

• водород — 33 кВт•ч / кг;
• аккумуляторная батарея — около 1 кВт•ч / кг); и дизельное топливо — около 12 кВт•ч / кг.

Применение водорода 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.

Водород

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.

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

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

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

• 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:

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

• 7.Гидролиз гидридов:

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

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

• 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:

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:

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:

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.

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:

Оксиды восстанавливаются до металлов:

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.