Автоводородный ренессанс

Устройство автомобиля на водородных топливных элементах.
Источник: toonpool.com

«Первый автомобиль, который будут приобретать ныне родившиеся дети, должен быть на водороде и абсолютно экологически безопасен». Так говорил в 2003 году бывший президент США Джордж Буш-младший. И сегодня в это довольно трудно поверить, если учесть всеобщее увлечение автомобилями на электрических батареях или биотопливе. Неудивительно, что сейчас все забыли о том, что Буш отпустил почти 1,5 млрд. долл. на разработку водородных авто, которые должны были стать реальностью уже к 2020 году (своего рода «водородная стратегия – 2020»).

Получив деньги, специалисты Министерства энергетики приступили к работе, но затем инициатива как-то постепенно ушла в песок и о ней забыли.

Работа возобновилась только с приходом на пост министра Стивена Чу, физика-экспериментатора, удостоенного за свои открытия Нобелевской премии. Он прекрасно осознает, что автопроизводители хотели бы получить водородные ячейки не только простые в производстве, но также долговременного пользования и относительно дешевые.

Немаловажно также и то, где в современном аэродинамически «зализанном» и компактном автомобиле перевозить достаточный запас водорода, который, как известно, в определенной пропорции с кислородом образует «гремучий газ». Инфраструктура водородных заправок, которую надо еще создавать, выдвигает повышенные требования к безопасности.

Все эти трудности сподвигли Чу объявить год назад о прекращении финансирования разработок водородных топливных элементов. Однако на этот раз свой голос протеста подняли┘ автопроизводители. Под давлением автомобильного лобби Конгресс указал Чу на его ошибку и возобновил финансирование.

Поддержка пришла из-за океана, где еще в прошлом году германские и другие европейские автопроизводители подписали совместный протокол, в котором утверждалось, что авто на водороде могут прийти к дилерам уже в 2015 году. Две нефтедобывающие компании согласились начать в Германии развитие сети водородных заправок.

При всей внешней простоте водородной ячейки (топливного элемента) она достаточно трудоемка в производстве. Ведь в ней водород как таковой не «сгорает», как в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, а окисляется, то есть отдает электрон, на аноде, давая при этом электрический ток. Электродвигатели должны давать возможность быстрого разгона и ускорения, а ячейки снабжать энергией всю «начинку» современного автомобиля. При понижении температуры вода, образовавшаяся при работе ячеек, не должна замерзать, чтобы образующийся лед не разорвал их.

Хотя прогресс и был довольно медленным, тем не менее десятилетние усилия не прошли даром. С опасностью образования льда решено бороться путем продолжения работы ячейки в течение минуты-двух после остановки автомобиля. При этом дополнительная энергия тратиться не будет, поскольку воду из ячейки будет «выгонять» то тепло, которое образуется в ходе ее работы. Одна японская компания объявила, что ее ячейка запускается и на морозе в 37 градусов.

Удалось существенно снизить и потребность в дорогостоящих катализаторах. Сейчас для «расщепления» электронов и протонов требуется 80 г платины, однако ячейкам следующего поколения хватит и 30. Это будет достигнуто за счет напыления на электроды более тонкого слоя благородного металла. Не обойдутся производители и без нанотехнологий, с помощью которых будет усложняться рельеф поверхности, давая тем самым возможность увеличения площади взаимодействия атомов платины с водородными молекулами.

Перед нанотехнологами поставлена задача в ближайшие 10 лет сократить расход платины до 10 г. Все это сделает реальным сокращение стоимости ячеек. Достаточно сказать, что за пятилетку, завершившуюся в 2008 году, стоимость экспериментальных водородных ячеек сократилась на 75%, хотя, конечно же, она и остается все еще высокой из-за отсутствия производства в промышленных масштабах.

Между тем демонстрация водородного автомобиля прошла в американском городе Торенс. Два «Хайландера» (Нighlander) в условиях реального транспортного потока прошли без заправки 533 км. По свободным дорогам водород-кар прошел бы на одном баке почти 700 км. Для сравнения: электромобили на одной зарядке литий-ионных батарей проходят всего лишь две сотни километров.

Принцип действия водородного топливного элемента. В идеале в качестве выхлопа – только немного водяного пара. Источник: geni.org

Но водород – слишком легкий газ, поэтому занимает большое пространство, «съедая» его у людей или грузов. Для решение проблемы инженеры обратили свои взоры в сторону баков, стенки которых сделаны из углеволокна. Оно настолько прочно, что позволяет «перевозить» запас водорода под давлением 680 атмосфер!

Пара слов об инфраструктуре. На заправках должны будут появиться водородные насосы. Из-за «сверхтекучести» водорода нужна герметичность, сравнимая с той, что требуется на космических кораблях. В Германии за несколько лет надеются установить несколько сотен водородных помп и не менее тысячи к 2020 году. Для того же Лос-Анджелеса потребуется не менее 50 заправок стоимостью по 4 млн. каждая. Для покрытия всей территории США нужно никак не меньше 11 тыс. таких станций, стоимость сети которых вполне сопоставима с аляскинским газопроводом, на строительство которого отпущено 35 млрд. долл. Как и с природным газом, встает вопрос, откуда взять необходимое количества водорода.

В Гамбурге строится завод по электролизу воды за счет энергии, вырабатываемой ветряными турбинами. В этом же немецком городе хотят пустить по улицам целый «флот» из 20 автобусов с водородными батареями вместо дизелей. Стоимость килограмма водорода будет обходиться в 3–4 евро, что в полтора-два раза дороже водорода, получаемого из природного газа. Тем не менее эксперты видят в электролизе воды большой потенциал, вопрос только, захотят ли европейские чиновники потратиться на создание инфраструктуры.

Но вот уже минувшей весной исследовательская команда из Калифорнийского университета в пригороде Сан-Франциско Беркли сообщила об успешных испытаниях нового молибденового катализатора, созданного ими с целью получения водорода непосредственно из воды, причем даже морской. Всем понятен тот ажиотаж, который возник вокруг этой работы, поскольку стоимость молибдена несравнима со стоимостью платины. Водород получали также и из пресной воды с нейтральной реакцией (рН 7).

Если все это выйдет из тиши университетских лабораторий в реальную жизнь, то мечта всего человечества о новом зеленом мире станет явью. И все смогут наконец-то получить глоток свежего воздуха, пусть и с некоторым содержанием водяных паров┘