Смогут ли водородные топливные элементы превзойти батареи электромобилей в качестве будущего источника энергии?

В автомобильной промышленности растет консенсус в отношении того, что будущее наземного транспорта — за электрическими двигателями. Однако по мере того, как электромобильность вновь появилась как концепция (не забывайте, что на заре автомобильной эры ДВС и электромобили сосуществовали), возникла дискуссия о том, как снабжать электродвигатель электричеством? Первый вариант — использовать аккумуляторные батареи на борту автомобиля — явно более популярный вариант в наши дни. Однако есть и другой путь — водородные топливные элементы.

Что такое топливный элемент?

Заметив низкое энергопотребление современных аккумуляторов, некоторые предложили другой подход. Производство электроэнергии на борту автомобиля без необходимости использования тяжелых и громоздких аккумуляторов. Эта технология на самом деле не нова, поскольку впервые она была использована в 60-х годах НАСА для выработки электроэнергии во время миссий «Джемини» и «Аполлон» на Луну. Существует несколько различных типов топливных элементов, но в автомобильной промышленности используются почти исключительно топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC).

Итак, как мы производим электричество в топливном элементе? Это относительно простой процесс. Топливный элемент состоит из трех основных частей. Анод, катод и сепаратор. В анод H2 подается из бака. H2 состоит из двух электронов и двух протонов. Положительно заряженные протоны проходят через сепаратор, а отрицательно заряженные электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток.

На катоде кислород атмосферного воздуха встречается с протонами водорода, предварительно прошедшими через сепаратор, и электронами внешней цепи. Эта комбинация создает воду, которая затем выбрасывается из выхлопной трубы автомобиля. Выхлопная труба, из которой можно пить!

Производство водорода

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, но он недоступен на Земле в свободной форме. Это означает, что нам нужно найти способ приобрести его. В настоящее время существует 3+1 способ получения водорода.

Серый водород, как его называют, получают путем паровой конверсии природного газа. Природный газ бомбардируется очень горячим водяным паром под высоким давлением. В результате этой реакции образуются H2 и CO2. Этот способ получения водорода является наименее экологически чистым.

Голубой водород очень похож на серый водород, за исключением того, что в производственный процесс интегрированы системы улавливания и хранения углерода (CCS), предотвращающие попадание высвобождаемого CO₂ в атмосферу.

Третий путь производства — электролиз, в результате которого образуется зеленый водород. Этот метод работает противоположно топливному элементу: электрический ток расщепляет молекулы воды на составляющие их газы — водород и кислород.

Подход «+1» известен как бирюзовый водород. В этом методе природный газ проходит через ванну с расплавленным металлом, в результате чего образуется водород и твердый углерод. Хотя концепция выглядит многообещающей, она еще не достигла коммерческого масштаба.

Из существующих вариантов зеленый водород имеет наибольшие перспективы для устойчивого производства с низким уровнем воздействия — при условии, что электроэнергия, движущая этот процесс, поступает из возобновляемых источников, таких как энергия ветра или солнца.

Водородные состояния

Есть два возможных состояния водорода, которые можно использовать. Газовая и жидкая форма, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Поскольку водород — наименее плотный элемент во Вселенной, чтобы использовать его в автомобиле, его необходимо серьезно сжать. В современных приложениях водород сжимается до 700 бар. Это большое давление и для этого нужны специальные и дорогие резервуары.

Другой альтернативой является жидкая форма. Но чтобы сжижать водород, его нужно охладить до температуры на 20°С выше абсолютного нуля — это минус 253°С. Очевидно, что для получения обеих форм водорода нам необходимо использовать энергию – либо для сверхвысокого сжатия, либо для охлаждения.

Однако преимущество использования водорода огромно: 1 кг водорода несет 33,3 кВтч энергии. Это означает, что он несет в 167 раз больше энергии на кг, чем самый современный аккумуляторный блок!

Батареи против водорода

Итак, какой способ наиболее предпочтителен? Носите с собой электричество или производите его на борту автомобиля? Автомобильная промышленность в настоящее время отдает предпочтение аккумуляторным блокам по нескольким причинам.

Прежде всего, эффективность PEMFC составляет около 60%. Паровая конверсия природного газа имеет эффективность 70%, а эффективность электролиза - 75%. Эффективность сжатия водорода составляет около 89%, а эффективность его сжижения — около 66%. В следующей таблице суммированы и сравнены все потери между аккумуляторными блоками и водородом. Для водорода были использованы наиболее эффективные сценарии.

Данные, полученные из предыдущей таблицы, показывают, что технология топливных элементов обеспечивает профиль эффективности, почти идентичный профилю эффективности бензиновых транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Учитывая нынешнее положение дел, использование топливных элементов в легковых автомобилях не дает практических преимуществ. Следовательно, большинство автопроизводителей предпочитают подход с использованием аккумуляторных батарей, несмотря на присущие ему ограничения.

Стоит также подчеркнуть, что преодоление эквивалентного расстояния требует затрат на заправку водородом в семь-восемь раз выше, чем на подзарядку электромобиля в домашних условиях. Хотя водород может найти свою нишу в сфере грузовых автомобилей большой грузоподъемности из-за его исключительной плотности энергии, этот потенциал зависит от разработки устойчивых методов его производства.