Автомобили на водородных топливных элементах давно рекламируются как более чистая альтернатива транспорту на бензине и электричестве, однако несколько технических проблем до сих пор мешают их массовому применению.
Поскольку история тянется довольно давно, мы решили более подробно рассмотреть конкретные технические проблемы, которые способствуют скептицизму вокруг водородных автомобилей.
Поскольку история тянется довольно давно, мы решили более подробно рассмотреть конкретные технические проблемы, которые способствуют скептицизму вокруг водородных автомобилей.
Исторический контекст
Концепция использования водорода в качестве топлива для транспортных средств насчитывает более 100 лет. В начале 1800-х годов сэр Уильям Гроув создал первый водородный топливный элемент, который работал путем объединения водорода и кислорода для производства электроэнергии.
Технология оставалась бездействующей в течение многих лет до середины 20-го века, когда интерес к топливным элементам резко возрос из-за их потенциального применения в аэрокосмической промышленности, а затем в автомобилях. В 60-х General Motors даже пытались наладить выпуск GM Electrovan – микроавтобуса, который получился весом более 3 тонн. В 1979-м в (в единственном экземпляре) BMW создали водородную версию 520h. ну а к 90-м годам несколько крупных производителей автомобилей начали экспериментировать с прототипами водородных топливных элементов, поскольку росли опасения по поводу качества воздуха и зависимости от ископаемого топлива.
Технология оставалась бездействующей в течение многих лет до середины 20-го века, когда интерес к топливным элементам резко возрос из-за их потенциального применения в аэрокосмической промышленности, а затем в автомобилях. В 60-х General Motors даже пытались наладить выпуск GM Electrovan – микроавтобуса, который получился весом более 3 тонн. В 1979-м в (в единственном экземпляре) BMW создали водородную версию 520h. ну а к 90-м годам несколько крупных производителей автомобилей начали экспериментировать с прототипами водородных топливных элементов, поскольку росли опасения по поводу качества воздуха и зависимости от ископаемого топлива.
В 1994 году первый автомобиль который оказался на дорогах общего пользования и использовал водородные топливные элементы, был разработан совместно Honda и California Fuel Cell Partnership, а в 2002 году Honda FCX стал одним из первых автомобилей на водородном топливе, предложенных широкой общественности.
В течение следующих двух десятилетий такие компании, как Toyota, Hyundai и Mercedes-Benz, продолжали инвестировать в технологию топливных элементов, что привело к выпуску таких моделей, как Toyota Mirai и Hyundai Nexo.
Несмотря на эти достижения и значительные инвестиции, водородные автомобили с трудом добиваются широкого распространения, в первую очередь из-за технических и инфраструктурных проблем, описанных ниже.
В течение следующих двух десятилетий такие компании, как Toyota, Hyundai и Mercedes-Benz, продолжали инвестировать в технологию топливных элементов, что привело к выпуску таких моделей, как Toyota Mirai и Hyundai Nexo.
Несмотря на эти достижения и значительные инвестиции, водородные автомобили с трудом добиваются широкого распространения, в первую очередь из-за технических и инфраструктурных проблем, описанных ниже.
Автомобили на водородных топливных элементах давно рекламируются как более чистая альтернатива автомобилям на бензине, однако несколько технических проблем могут помешать их массовому принятию. Ниже мы более подробно рассмотрим конкретные технические проблемы, которые способствуют скептицизму вокруг водородных автомобилей.
Ограничения технологии топливных элементов
Хотя технология топливных элементов достигла значительных успехов, она по-прежнему сталкивается с присущими ей проблемами:
Долговечность и надежность: топливные элементы могут со временем деградировать, особенно при воздействии определенных загрязняющих веществ в водороде. Это ухудшение может повлиять на производительность и привести к сокращению срока службы по сравнению с электромобилями на аккумуляторах, что вызывает опасения по поводу долгосрочной надежности и общей стоимости владения.
Температурная чувствительность: топливные элементы обычно эффективно работают в определенном диапазоне температур. Экстремальный холод или жара могут повлиять на их эффективность и эксплуатационные характеристики, гораздо сильнее чем на аккумуляторы. Например, при низких температурах вода, вырабатываемая в топливных элементах, может замерзнуть, что приведет к проблемам при запуске в холодном климате.
Сложность: системы, необходимые для управления и оптимизации топливных элементов, могут быть сложными, включающими множество компонентов, таких как компрессоры, увлажнители и передовые системы управления. Эта сложность может привести к более высоким производственным затратам и увеличению потребностей в обслуживании, что делает водородные автомобили менее привлекательными для потребителей.
Долговечность и надежность: топливные элементы могут со временем деградировать, особенно при воздействии определенных загрязняющих веществ в водороде. Это ухудшение может повлиять на производительность и привести к сокращению срока службы по сравнению с электромобилями на аккумуляторах, что вызывает опасения по поводу долгосрочной надежности и общей стоимости владения.
Температурная чувствительность: топливные элементы обычно эффективно работают в определенном диапазоне температур. Экстремальный холод или жара могут повлиять на их эффективность и эксплуатационные характеристики, гораздо сильнее чем на аккумуляторы. Например, при низких температурах вода, вырабатываемая в топливных элементах, может замерзнуть, что приведет к проблемам при запуске в холодном климате.
Сложность: системы, необходимые для управления и оптимизации топливных элементов, могут быть сложными, включающими множество компонентов, таких как компрессоры, увлажнители и передовые системы управления. Эта сложность может привести к более высоким производственным затратам и увеличению потребностей в обслуживании, что делает водородные автомобили менее привлекательными для потребителей.
Проблемы производства водорода
Несмотря на более чем 100 лет прогресса, производство водорода экологически безопасным способом остается препятствием:
Эффективность электролиза воды: хотя электролиз воды является более чистым методом производства водорода, он пока не очень эффективен. Этот процесс требует значительных затрат энергии, что может свести на нет экологические преимущества, если источник энергии не возобновляется. В настоящее время его эффективность составляет около 60–80 %, то есть значительное количество вложенной энергии не приводит к получению пригодного для использования водорода.
Выбросы углерода от традиционных методов: поскольку большая часть водорода по-прежнему производится путем парового риформинга метана, этот процесс выделяет значительное количество углекислого газа. Переход на более экологичные методы остается технической и экономической проблемой, усложняя ожидаемые экологические преимущества водородных автомобилей.
Эффективность электролиза воды: хотя электролиз воды является более чистым методом производства водорода, он пока не очень эффективен. Этот процесс требует значительных затрат энергии, что может свести на нет экологические преимущества, если источник энергии не возобновляется. В настоящее время его эффективность составляет около 60–80 %, то есть значительное количество вложенной энергии не приводит к получению пригодного для использования водорода.
Выбросы углерода от традиционных методов: поскольку большая часть водорода по-прежнему производится путем парового риформинга метана, этот процесс выделяет значительное количество углекислого газа. Переход на более экологичные методы остается технической и экономической проблемой, усложняя ожидаемые экологические преимущества водородных автомобилей.
Трудности хранения и транспортировки
Безопасное и эффективное хранение и транспортировка водорода является еще одним серьезным препятствием:
Проблемы объема и плотности: водород имеет низкую плотность энергии по объему, что требует систем хранения высокого давления (до 700 бар) или криогенного хранения (при -253 °C), чтобы сделать его пригодным для использования в качестве топлива для транспортных средств. Эти решения для хранения требуют надежных и дорогих систем локализации, что увеличивает стоимость транспортных средств.
Утечка водорода: небольшой размер молекулы водорода может привести к проблемам утечки во время хранения и транспортировки. Это может поставить под угрозу безопасность, создавая легковоспламеняющиеся смеси и снижая общую эффективность водорода как источника топлива из-за потерь при транспортировке.
Модернизация инфраструктуры: существующие газопроводы не могут легко транспортировать водород из-за его тенденции охрупчивать металлы, что создает дополнительные проблемы для развития инфраструктуры. Модернизация или строительство новых трубопроводов, способных безопасно транспортировать водород, требуют значительных инвестиций и технических решений.
Проблемы объема и плотности: водород имеет низкую плотность энергии по объему, что требует систем хранения высокого давления (до 700 бар) или криогенного хранения (при -253 °C), чтобы сделать его пригодным для использования в качестве топлива для транспортных средств. Эти решения для хранения требуют надежных и дорогих систем локализации, что увеличивает стоимость транспортных средств.
Утечка водорода: небольшой размер молекулы водорода может привести к проблемам утечки во время хранения и транспортировки. Это может поставить под угрозу безопасность, создавая легковоспламеняющиеся смеси и снижая общую эффективность водорода как источника топлива из-за потерь при транспортировке.
Модернизация инфраструктуры: существующие газопроводы не могут легко транспортировать водород из-за его тенденции охрупчивать металлы, что создает дополнительные проблемы для развития инфраструктуры. Модернизация или строительство новых трубопроводов, способных безопасно транспортировать водород, требуют значительных инвестиций и технических решений.
Расхождения между потребляемой и вырабатываемой энергией
Вся цепочка поставок водорода вызывает опасения по поводу эффективности:
Потери энергии на протяжении цикла: производство водорода, его распределение и преобразование в топливные элементы включают несколько этапов, на которых происходят потери энергии.
Например, генерация электроэнергии из возобновляемых источников, преобразование ее в водород, сжатие, транспортировка и, наконец, обратное преобразование в электричество в топливном элементе может привести к общей потере эффективности примерно на 70–80%. Напротив, электромобили обычно преобразуют около 85–90 % энергии, хранящейся в их батареях, в движение.
Потери энергии на протяжении цикла: производство водорода, его распределение и преобразование в топливные элементы включают несколько этапов, на которых происходят потери энергии.
Например, генерация электроэнергии из возобновляемых источников, преобразование ее в водород, сжатие, транспортировка и, наконец, обратное преобразование в электричество в топливном элементе может привести к общей потере эффективности примерно на 70–80%. Напротив, электромобили обычно преобразуют около 85–90 % энергии, хранящейся в их батареях, в движение.
Конкуренция новых технологий
Развитие аккумуляторных батарей: стремительный прогресс в технологии аккумуляторных батарей еще больше ставит под сомнение жизнеспособность водородных автомобилей. Инновации в области твердотельных аккумуляторов и других решений для хранения энергии могут обеспечить еще больший запас хода и более быструю зарядку, что делает электромобили все более конкурентоспособными.
Альтернативные виды топлива и технологии: другие новые альтернативы, такие как биотопливо и синтетическое топливо, продолжают развиваться наряду с водородными технологиями, потенциально отвлекая инвестиции и внимание от водорода как автомобильного решения.
Альтернативные виды топлива и технологии: другие новые альтернативы, такие как биотопливо и синтетическое топливо, продолжают развиваться наряду с водородными технологиями, потенциально отвлекая инвестиции и внимание от водорода как автомобильного решения.
Движение к цели
Хотя автомобили на водородных топливных элементах предлагают интригующую альтернативу традиционным и электрическим транспортным средствам, технические ограничения, инфраструктурные пробелы, заблуждения относительно безопасности и проблемы эффективности препятствуют их шансам стать мейнстримом.
Путь к широкому признанию потребует инноваций, сотрудничества и фундаментального изменения общественного восприятия. По мере развития автомобильного мира водород может найти свою нишу в определенных секторах, таких как тяжелый транспорт и промышленные приложения, но на данный момент дорога к популярности остается слишком крутой.
В гонке за эту технологию финишная черта все еще видна — просто неясно, пересечет ли ее водород в обозримом будущем.
Путь к широкому признанию потребует инноваций, сотрудничества и фундаментального изменения общественного восприятия. По мере развития автомобильного мира водород может найти свою нишу в определенных секторах, таких как тяжелый транспорт и промышленные приложения, но на данный момент дорога к популярности остается слишком крутой.
В гонке за эту технологию финишная черта все еще видна — просто неясно, пересечет ли ее водород в обозримом будущем.
В статье использованы иллюстрации и фото из открытых источников. Все фото принадлежат их авторам.
Назад в киоск
